研究背景
增材制造(AM)是一种利用离散材料逐层构建三维(3D)物体的尖端技术。打印工艺的固有特性使其非常适合制造复杂的结构，尤其是三维晶格结构。AM的主要优势之一是能够通过微调晶格结构的参数来定制结构和性能。AM 已被广泛用于制造具有复杂结构的力传感器，如电阻式和电容式传感器。然而，这些力传感器通常需要外部电源，这给它们在能源稀缺的环境中的实际应用带来了挑战。为了应对这一挑战，并顺应更环保、更节能的生产趋势，人们在开发自供电压电力传感器和摩擦纳米发电机传感器方面取得了长足进步。然而，这些力传感器仍然表现出高内阻、大损耗和低输出电流的特点，这限制了它们的潜在应用。
磁电力传感器，在广义上通常称为磁电设备。常用的磁电装置依赖于磁致伸缩效应和压电效应的基本原理。当受到磁场作用时，会引起包含磁致伸缩和压电元件的复合材料变形，从而产生电压，这是一个有效地将磁场转换为电信号的过程。与使用磁致伸缩和压电复合材料构建的磁电装置不同，本研究中的磁电装置结合了磁性和导电元件，并利用了它们的电磁感应。外力会引起两个元件之间相对位移的变化，从而导致磁通量的变化，最终产生感应电压。这种磁电装置便于将机械力转换为电信号，从而使其具有感应外力的能力。
为了满足磁电力传感器日益复杂的结构要求，实现可定制的机械-电气转换性能，AM 已被应用于磁电传感器的制造。然而，由于这些传感器的导电部件由刚性金属螺旋结构或商用导电铜线圈组成，其灵活性有限。此外，这些传感器的磁性和导电部分相互独立，导致这些部分的组合不理想，影响了它们的实际应用。磁电传感器的设计必须考虑两部分之间的模量和尺寸匹配，这对传感器的设计造成了限制。因此，通过 AM 制造灵活、集成和高度可定制的磁电传感器仍然是一项艰巨的挑战。
液态金属在室温下具有金属的导电性和液体的延展性，是柔性电子领域的常用材料。Galn合金具有高导热性、导电性和环保特性，可用作磁电传感器的导电部分。通过三维转移打印，Galn 合金可以均匀地附着在通过 SLS 打印的磁性柔性聚合物晶格基体表面。这样，合金就会与磁性基质融为一体，形成导电网络，从而生产出柔性集成磁电传感器。当传感器因外力而变形时，导电网络中的磁通量将发生变化，从而根据法拉第电磁感应定律产生感应电压。由于液态金属的保形粘附性，磁电传感器可以与磁性基体呈现出一致的结构，而结构在任何方向上的变形都会导致磁通量的变化。因此，制备的液态金属涂层磁电传感器具有很高的设计自由度。要实现上述创新概念，需要应对几个关键挑战。其中一个重大障碍是 Galn 合金的高表面张力和表面能阻碍了它与聚合物基底的粘合。
研究成果
虽然增材制造可实现磁电传感器的可控结构设计和定制性能，但其设计和制造仍需要磁性和导电部件之间的尺寸和模量的精心匹配。实现磁电集成仍然具有挑战性，而且刚性线圈限制了传感器的灵活性。为了克服这些障碍，华中科技大学史玉升&闫春泽教授团队提出了一种结合选择性激光烧结 (SLS)和三维转印的复合工艺，用于制造柔性液态金属涂层磁电传感器。液态金属在 SLS 印刷的磁性铁硼/PU 晶格结构上形成保形导电网络。结构的变形会改变通过它的磁通量，从而产生电压。建立了一种反向模型分割和求和方法来计算理论磁通量。研究了传感器的体积分数单位尺寸和高度对电压的影响，并对这些因素进行了优化，得到了 45.6 为μV 的最大电压。该传感器具有出色的传感性能，灵敏度为 10.9 kPa-1，最低检测压力为 0.1 kPa。电压可通过各种外力产生，包括拉伸、压缩、弯曲和扭转。这项工作通过提高液态金属磁电传感器的结构灵活性、磁电集成度和设计自由度，在制造液态金属磁电传感器方面取得了重大进展。相关研究以“Additively Manufactured Flexible Liquid Metal–Coated Self-Powered Magnetoelectric Sensors with High Design Freedom”为题发表在Advanced Materials上。
图文导读
Figure 1. Schematic diagram illustrating the process of fabricating flexible magnetoelectric sensors using selective laser sintering (SLS) combined with subsequent liquid metal 3D transfer printing.
Figure 2. Macro and micro structural characterization of the fabricated magnetoelectric sensor and its ability to generate voltage under pressure.
Figure 3. Revealing the mechanism of voltage generation in the sensor through numerical simulation methods.
Figure 4. Characterization of the sensing performance of magnetoelectric sensors.
Figure 5. Multiple factors determine the performance of the output voltage.
Figure 6. Various flexible magnetoelectric sensors with complex structures capable of generating induced voltage through multiple deformation directions and modes being fabricated using the proposed method.
Figure 7. Functional demonstration of the prepared magnetoelectric senor for posture monitoring.
总结与展望
总之，本研究介绍了一种柔性液态金属涂层自供电磁电传感器，它是通过 SLS 与转移印刷相结合的复合工艺制作而成的。液态金属在三维晶格结构表面表现出显著的保形粘附性，从而形成了导电网络。当传感器在外力作用下发生形变时，通过网络结构的磁通量会发生变化因此，可以产生感应电压，促进机械外力向电信号的转换。当压缩应变为 66.7% 时，柔性传感器的最大电压为45.7 μV。它的灵敏度为 10.9 kPa-1，最小检测压力为 0.1 kPa，显示出卓越的压力传感性能。磁电传感器的可调结构提供了一种可定制的方法，以调整其在外力作用下的发电性能。为了阐明传感器的工作机制，并从理论上计算磁通量及其变化，我们提出了一种涉及反向模型分割和求和的方法，该方法在计算结果和实验数据之间产生了良好的一致性。这种方法为计算液态金属形成的复杂网络结构中的磁通量奠定了理论基础。复合工艺为磁电传感器提供了很高的设计自由度，允许复杂的结构配置，并适应各种类型的力，包括拉伸、压缩、弯曲和扭转。这种多功能性使传感器能够满足不同应用的各种要求。通过成功地将液态金属集成到磁电传感器的制造中，这项工作为实现磁电无缝集成的自供电柔性传感器提供了重要途径。
文献链接
Additively Manufactured Flexible Liquid Metal–Coated Self-Powered Magnetoelectric Sensors with High Design Freedom
https://doi.org/10.1002/adma.202307546
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