Taux de remplissage ultra-élevé de nattes de fibres de métal liquide en forme de graines de colza non percolatives pour capteurs de pression via une dispersion inhomogène assistée par électrofilage
Contexte
Les capteurs de pression capacitifs flexibles, en raison de leur haute sensibilité, de leur réponse rapide et de leur excellente flexibilité mécanique, ont un large potentiel d’application dans des domaines tels que la robotique intelligente, la surveillance médicale et l’interaction homme-machine. Cependant, les élastomères diélectriques traditionnels ont généralement une constante diélectrique faible, ce qui limite la variation du signal capacitif. Pour améliorer les performances des capteurs capacitifs, les chercheurs ont souvent recours à l’ajout de matériaux inorganiques céramiques ou conducteurs à haute constante diélectrique dans les élastomères. Cependant, ces charges sont généralement rigides, ce qui peut entraîner un durcissement de l’élastomère, réduire sa flexibilité et provoquer un phénomène de percolation sous haute pression, transformant le matériau de diélectrique en conducteur, et ainsi perdre sa fonction de détection capacitive.
Le métal liquide (Liquid Metal, LM), en raison de sa fluidité intrinsèque et de sa haute constante diélectrique, est considéré comme un matériau idéal pour résoudre ce problème. Cependant, la question de savoir comment maintenir un taux de remplissage élevé en métal liquide tout en évitant le phénomène de percolation reste un défi majeur dans la recherche actuelle. Pour cela, les chercheurs ont proposé une stratégie de distribution non homogène, en concentrant localement le métal liquide en amas isolés, augmentant ainsi efficacement le seuil de percolation (percolation threshold).
Source de l’article
Cet article a été coécrit par Yanlin Chen, Tangfeng Feng, Mengyue Peng et Faxiang Qin de l’Université du Zhejiang, et publié en 2025 dans la revue Advanced Fiber Materials. Cette recherche a été soutenue par le Fonds national pour les sciences naturelles de Chine (NSFC) et le Programme national de recherche et développement clé.
Processus et résultats de la recherche
1. Conception de la recherche
Cette étude a utilisé la technique d’électrofilage (electrospinning) pour fabriquer un tapis de fibres de métal liquide/polyuréthane thermoplastique (LM/TPU) présentant une structure unique en forme de graine de colza. Le métal liquide est localement concentré en amas isolés dans les fibres, augmentant ainsi efficacement le seuil de percolation. L’objectif principal de la recherche était d’atteindre un taux de remplissage en métal liquide de 90 % tout en maintenant les propriétés diélectriques et la flexibilité du matériau.
2. Matériaux et préparation
L’étude a d’abord dissous le métal liquide (EGaIn, un alliage de gallium et d’indium) et le polyuréthane thermoplastique (TPU) dans un mélange de solvants acetone/diméthylformamide (DMF), puis a dispersé le métal liquide en gouttelettes nanométriques par traitement ultrasonique. Ensuite, la solution mélangée a été transformée en tapis de fibres par électrofilage. Au cours de ce processus, le métal liquide a formé des amas en forme de graine de colza dans les fibres de TPU, tandis que les parties connectant les fibres contenaient peu de métal liquide. Cette structure unique a non seulement augmenté le seuil de percolation, mais a également préservé la flexibilité et les propriétés mécaniques du tapis de fibres.
3. Caractérisation des performances
L’étude a caractérisé la morphologie et la structure du tapis de fibres par microscopie électronique à balayage (SEM), tomographie aux rayons X (Micro-CT) et spectroscopie à dispersion d’énergie (EDS). Les résultats ont montré qu’avec l’augmentation de la teneur en métal liquide, la structure en forme de graine de colza dans le tapis de fibres est devenue plus prononcée, et la taille des amas de métal liquide a augmenté progressivement. De plus, l’étude a testé les propriétés diélectriques et conductrices du tapis de fibres à l’aide d’un analyseur d’impédance et d’un testeur de résistivité à quatre pointes. Les résultats ont montré que même avec un taux de remplissage en métal liquide de 90 %, le tapis de fibres conservait ses propriétés diélectriques sans phénomène de percolation.
4. Performances mécaniques et de détection
L’étude a également testé les propriétés mécaniques du tapis de fibres. Les résultats ont montré que l’ajout de métal liquide a significativement amélioré les propriétés de contrainte-déformation du tapis de fibres tout en maintenant un module d’élasticité faible. Le tapis de fibres a présenté une contrainte de 142,8 kPa à 70 % de déformation en compression, démontrant une excellente flexibilité et une résistance à la fatigue. Le capteur capacitif flexible fabriqué à partir de ce tapis de fibres a montré une variation relative de capacité élevée (maximum δC/C0 = 6,32) et une sensibilité à la pression de 55 MPa⁻¹, tout en fonctionnant de manière stable dans une plage de pression de 0 à 550 kPa. Les tests de stabilité cyclique du capteur ont montré qu’après 6000 cycles de chargement-déchargement, le signal capacitif du capteur n’avait pratiquement pas diminué, démontrant une excellente durabilité.
5. Démonstration d’application
L’étude a également démontré le potentiel de ce capteur dans des domaines tels que le tri intelligent par pince robotique, la surveillance de la distribution de pression et la surveillance à distance des touches. En installant le capteur sur une pince robotique, l’étude a réussi à identifier et trier des objets de différentes formes. De plus, l’étude a développé un réseau de capteurs 4×4 pour surveiller en temps réel la distribution de pression et a transmis les données via un module Bluetooth à une application mobile, permettant une surveillance à distance des touches.
Conclusion et signification
Cette étude a réussi à fabriquer un tapis de fibres à haut taux de remplissage en métal liquide avec une structure en forme de graine de colza grâce à la technique d’électrofilage, résolvant efficacement le problème de percolation dans les élastomères diélectriques remplis de métal liquide. Ce tapis de fibres présente non seulement une constante diélectrique élevée et d’excellentes propriétés mécaniques, mais aussi une insensibilité à la température, une résistance à l’eau et une capacité de recyclage. Le capteur capacitif flexible fabriqué à partir de ce tapis de fibres a un large potentiel d’application dans des domaines tels que le tri intelligent, la surveillance de la pression et l’interaction homme-machine.
Points forts de la recherche
- Taux de remplissage élevé en métal liquide : Pour la première fois, un taux de remplissage en métal liquide de 90 % a été atteint, dépassant le seuil de percolation prédit par la théorie traditionnelle (83 %).
- Structure unique en forme de graine de colza : La technique d’électrofilage a permis une distribution non homogène du métal liquide, supprimant efficacement le phénomène de percolation.
- Performances de détection exceptionnelles : Le capteur présente une haute sensibilité, une large plage de pression et une excellente stabilité cyclique, adapté à divers environnements complexes.
- Applications multifonctionnelles : Une démonstration réussie du potentiel du capteur dans des domaines tels que la robotique intelligente, la surveillance de la pression et la surveillance à distance des touches.
Autres informations pertinentes
Cette étude a également exploré des méthodes de recyclage du tapis de fibres, réussissant à recycler le tapis de fibres par dissolution et ré-électrofilage. De plus, l’étude a validé la supériorité de la structure en forme de graine de colza dans la distribution du champ électrique par simulation par éléments finis (FEM), soutenant davantage son rôle dans la suppression du phénomène de percolation.
Grâce à la conception innovante de cette étude, les performances des élastomères diélectriques remplis de métal liquide ont été significativement améliorées, offrant de nouvelles perspectives et méthodes pour le développement de capteurs capacitifs flexibles. Les recherches futures pourront optimiser davantage la structure et les performances du tapis de fibres, élargissant ainsi ses applications dans divers domaines.