华中科大苏彬团队Adv. Funct. Mater.：液态金属基可拉伸磁电薄膜及其机电转换能力

【引言】

镓基液态金属合（GLMAs）在室温下具有可观的变形性、无毒性和优异的导电性。由于多重图案化的可行性，GLMAs被赋予了卓越的可重构性，为实现下一代可穿戴电子、瞬态器件、软机器人、生物医学传感和健康监测提供了一条很有希望的途径。尽管目前该领域取得了重大进展，但GLMA基柔性器件大多由外部电源驱动，如可充电电池或超级电容器，这意味着额外的重量、占用的空间和频繁更换电池的问题。自1831年法拉第首次发现电磁感应现象以来，电磁感应技术是一种经典的能量转换技术，为人类社会的能源供给服务了140余年。苏彬教授自2018年在华中科技大学建组以来，致力于磁电材料的柔性化及其在自供能可穿戴传感设备上的应用。前期研究的可压缩磁电弹性体（Nano Energy, 2020, 69, 104391）主要采用可弯曲的铜丝作为导电材料。但由于其较高的杨氏模量，极大地阻碍了可拉伸应用。为了解决这一难题，使用GLMAs替代铜线是一种新的思路。

【成果简介】

近日，在华中科技大学苏彬教授和殷亚军副教授团队等人带领下，与澳大利亚莫纳什大学合作，展示了一种基于GLMAs的自供电和可拉伸的磁电薄膜，该磁电薄膜能够在循环拉伸-释放过程中控制电磁相互作用的距离来进行机电转换。为了研究机电转换机理，将等效的麦克斯韦数值模拟与实验结果相结合，探索了不同的实验参数。此外，利用GLMAs的多样化编程图案和结构设计来调整电气性能。磁电协同设计原理将为液态金属作为功能材料在大应变可穿戴电子产品开发中开辟一条新途径。该成果以题为“Liquid Metal Based Stretchable Magnetoelectric Films and Their Capacity for Mechanoelectrical Conversion”发表在了Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

图1 GLMA基磁电薄膜的制造示意图

a，b）使用设计好的带图案的3D打印模具倒入粘性的Ecoflex液体混合物。

c）干燥并脱模后，获得具有图案通道的Ecoflex薄膜基材。

d，e）分别注入液态金属和圆形磁板，并将其放置在薄膜上指定的通道上。

f）在最终制备可拉伸的磁电薄膜之前进行Ecoflex混合物的二次封装。

图2液态金属制备的磁电薄膜的形貌表征

a）38×38 mm2可拉伸磁电薄膜的光学照片。

b）Ecoflex通道（电气部分）内液态金属的SEM图。

c）（b）的部分放大图像，以便沿红线区分两种不同的材料，其在中显示。

d）横截面SEM图显示了液态金属和聚合物的分布。

e）放大的液态金属表面的SEM图像。

f）（c）的元素分析。

图3 GLMA基磁电薄膜的机电转换特性

a）磁电薄膜的原始状态和b）拉伸状态的示意图。

c，d）在室温下拉伸张力为60%、拉伸速度为50mm s−1时磁电薄膜的c）开路输出电压（V）和d）电流（A）。绿色线和橙色线分别代表带NdFeB磁体和不带NdFeB磁体的薄膜。

e，f）拉伸前后液态金属环内磁场强度的二维模拟分布（x-y平面）。

图4 磁电薄膜的各向异性机电转换

a）以两种拉伸模式，垂直（绿色）和水平（红色）模式的示意图。

b，c）在相同的测试条件下，在两种拉伸模式下的b）实验输出电压图和c）电压比较的直方图。

d）光学照片和e，f）垂直拉伸之前后磁电薄膜的二维模拟分布（x-y平面）。

g）光学照片和h，i）水平拉伸之前后磁电薄膜的二维模拟分布（x-y平面）。

图5不同实验参数对GLMA基磁电薄膜电性能的影响

a-g）在不同的a）GLMA环直径、c）磁强度、d）GLMA环数或不同的f）拉伸速度和g）拉伸应变下制备的薄膜的开路输出电压（V）。插图显示了各种参数影响的示意图。

b）薄膜拉伸状态下的环径-电压的关系。

e）拉伸后磁强度/环数与输出电压之间的相关直方图。

h）拉伸后拉伸速度/应变比与输出电压之间的相关直方图。

图6通过两种结构设计提高GLMA基磁电薄膜的机电转换性能

a-c）在相同拉伸前后，a-c）带有2至4瓣的花状GLMA图案内的磁场强度分布的2D模拟分布，带有两个至四个花瓣，命名为花II，花III和花IV，及j-1）2、4和6串联GLMA图案。

d，e）在拉伸张力为60%、拉伸速度为50mm s−1的情况下，d）具有不同花瓣的花状磁电薄膜和e）具有不同串联图案的磁电薄膜的开路输出电压（V） 。

f，g）拉伸后的d）花瓣型电压和e）串联电压的相关图。

h，i）分别为（a）-（c）和（j）-（l）的光学图像。

图7 GLMA基磁电薄膜作为人体活动监测的自供电电子皮肤传感器

a）附着在人体上的自供电电子皮肤传感器的示意图。

b）肘部摆动过程中三个主要阶段的照片。传感器紧紧贴在志愿者身体的肘部。

d）膝盖弯曲过程中三个主要阶段的照片。 传感器紧紧贴在志愿者身体的膝盖上。

从c）重复摆动肘部和e）弯曲膝盖测量自供电可伸缩传感器的实时电压输出。

【小结】

综上所述，本研究证明了一种新颖的GLMA基磁电薄膜及其机械电转换能力。液态金属作为导电功能材料，已成功地在柔性触觉传感领域实现了自供电应用。当对磁电薄膜施加外力时，由于磁通量的变化而产生输出电压。研究了GLMA环的直径、磁强、GLMA环的数目、液态金属的不同形状、拉伸速度和应变等实验参数，以深入了解其工作机理。作为自供电可拉伸传感器，磁电薄膜表现出响应时间短（≈40 ms）、最小检测拉伸应力为1950 Pa、8000次拉伸-释放循环后的长期稳定性以及耐温性等特点。此外，将花式和串联GLMA模式等多种结构设计与数值模拟相结合，指导实现了各向异性特性，提高了机电转换性能。我们相信这种GLMA基磁电传感器的研究将有助于激发大应变的可穿戴电子技术的发展。

文献链接：Liquid Metal Based Stretchable Magnetoelectric Films and Their Capacity for Mechanoelectrical Conversion（Adv. Funct. Mater.，2020，DOI: 10.1002/adfm.202003680）

本文由木文韬翻译整理。

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