導電彈性體復合泡沫材料壓阻傳感器憑借質(zhì)輕、良好的可壓縮性和高響應穩(wěn)定性等優(yōu)點，在運動監(jiān)測、健康監(jiān)測、人機交互、智能機器人等領域具有廣闊的應用前景。當前，除了追求簡單和環(huán)境友好的制備方法，研究人員正致力于拓展泡沫傳感器的檢測范圍并提升其靈敏度。超臨界二氧化碳（scCO2）發(fā)泡是一種新的制備多孔壓阻材料的方法，具有制備簡單、環(huán)境友好等特點。但由于過高的熔體強度，利用scCO2發(fā)泡法制備的導電彈性體復合泡沫壓阻傳感器，其壓縮應變傳感范圍較低（< 60%應變）。為了適用于更多的應用場景，研究人員在努力不斷發(fā)展可拉伸的導電彈性體復合泡沫傳感器，拓寬傳感器的拉伸應變傳感范圍。但是，導電彈性體復合泡沫材料的導電性和拉伸性之間存在難以調(diào)和的矛盾，難以實現(xiàn)具有超寬應變范圍的壓阻泡沫傳感器。
中國科學院寧波材料技術與工程研究所汪龍研究員等長期致力于熱塑性彈性體泡沫功能化的相關科研工作。
為了實現(xiàn)具有超寬壓縮應變傳感范圍的壓阻泡沫傳感器，團隊采用scCO2發(fā)泡技術，設計并制備了一種宏觀隔離結(jié)構(gòu)聚烯烴彈性體（POE）/碳納米結(jié)構(gòu)（CNS）復合泡沫材料，該材料有效解決了高發(fā)泡倍率與壓阻效應間的矛盾，發(fā)泡倍率高（約9倍）、導電性和防水性良好（水接觸角為140.8°）。如圖1所示，制備的壓阻泡沫傳感器展現(xiàn)了超寬的應變范圍（從0.5%到90%壓縮應變/0.5到3800 kPa），可以作為一種功能鞋底材料，監(jiān)測不同的人體運動。
圖1 宏觀隔離結(jié)構(gòu)POE/CNS復合泡沫材料傳感器的制備及應用
寬拉伸應變范圍的多孔導電材料是理想的柔性電子材料，然而，由于拉伸過程中的導電或機械失效，多孔導電彈性體復合材料難以實現(xiàn)超寬應變傳感范圍。研究人員通過調(diào)節(jié)界面導電網(wǎng)絡，設計并制備了一種由單層CNS@POE粒子（平均直徑約350 μm）組裝的隔離結(jié)構(gòu)POE/CNS復合泡沫材料。該材料具有高拉伸性（952.5%應變）、良好的彈性（13.8%殘余應變）和導電性（約50 kΩ）。而且，在熱成型過程中，POE分子鏈向?qū)щ妼訑U散，改善了導電層的柔性，在拉伸過程中，阻礙了導電層裂紋的快速擴展，擴大了泡沫傳感器的應變響應范圍。如圖2所示，單層隔離結(jié)構(gòu)POE/CNS復合泡沫傳感器實現(xiàn)了超寬的應變響應范圍（從0.5%到762%拉伸應變），遠遠超過隨機分布結(jié)構(gòu)POE/CNS復合泡沫傳感器（0至153.5%應變）；制備的傳感器可以應用于全范圍的人體運動監(jiān)測、健康監(jiān)測和工程裝備（Mater. Today Phys. 2025, 55, 101741）。
圖2 單層隔離結(jié)構(gòu)POE/CNS復合泡沫傳感器的制備、壓阻性能和應用
綜上所述，團隊通過結(jié)構(gòu)設計，并結(jié)合scCO2發(fā)泡技術，制備出一系列高性能泡沫壓阻傳感器，在可穿戴傳感器領域具有廣闊的應用前景。
