電紡支援による不均一分散を利用した非浸透性の菜種形液体金属繊維マットの超高充填率による圧力センサー

2025-03-09 Sun
背景紹介柔軟な容量型圧力センサーは、その高い感度、迅速な応答性、優れた機械的柔軟性により、インテリジェントロボット、医療モニタリング、ヒューマン・マシンインタラクションなどの分野で広く応用されています。しかし、従来の誘電性エラストマー（dielectric elastomers）は通常、低い誘電率を持ち、その容量信号の変化範囲を制限しています。容量センサーの性能を向上させるために、研究者は通常、エラストマーに高誘電率の無機セラミックや導電性材料を添加してその誘電性能を向上させます。しかし、これらの充填材は通常硬く、エラストマーを硬化させ、柔軟性を低下させ、高圧下で浸透現象（percolation）が発生し、材料が誘電性から導電性に変化し、容量センシング機能を失うことがあります。
液体金属（Liquid Metal, LM）は、その固有の流動性と高い誘電率から、この問題を解決する理想的な材料とされています。しかし、高液体金属充填率を維持しながら浸透現象を回避することは、現在の研究の難点です。このため、研究者は非均一分布戦略を提案し、液体金属を局所的に集中させて孤立したクラスターを形成することで、浸透閾値（percolation threshold）を効果的に高めました。
論文の出所本論文は、浙江大学のYanlin Chen、Tangfeng Feng、Mengyue Peng、Faxiang Qinによって共同で執筆され、2025年の『Advanced Fiber Materials』誌に掲載されました。この研究は、国家自然科学基金（NSFC）および国家重点研究開発計画の支援を受けています。
研究プロセスと結果1. 研究設計本研究は、静電紡糸（electrospinning）技術を用いて、独特なナタネ形構造を持つ液体金属/熱可塑性ポリウレタン（LM/TPU）繊維マットを製造しました。液体金属は繊維内に局所的に集中して孤立したクラスターを形成し、浸透閾値を効果的に高めます。研究の主な目標は、90%という高い液体金属充填率を実現しつつ、材料の誘電性能と柔軟性を維持することです。
2. 材料と製造研究ではまず、液体金属（EGaIn、ガリウムインジウム合金）と熱可塑性ポリウレタン（TPU）をアセトン/ジメチルホルムアミド（DMF）混合溶媒に溶解し、超音波処理によって液体金属をナノサイズの液滴に分散させました。その後、混合溶液を静電紡糸技術を用いて繊維マットに加工しました。静電紡糸プロセス中、液体金属はTPU繊維内にナタネ形のクラスターを形成し、繊維間の接続部分にはほとんど液体金属が含まれません。この独特の構造は、浸透閾値を高めるだけでなく、繊維マットの柔軟性と機械的性能を維持します。
3. 性能評価研究では、走査型電子顕微鏡（SEM）、X線断層撮影（Micro-CT）、エネルギー分散型分光法（EDS）などの手段を用いて、繊維マットの形態と構造を評価しました。結果、液体金属含有量が増加するにつれて、繊維マット内のナタネ形構造がより顕著になり、液体金属クラスターのサイズも徐々に大きくなることが示されました。さらに、インピーダンスアナライザーと4探針抵抗測定器を用いて、繊維マットの誘電性能と導電性能をテストしました。結果、液体金属充填率が90%に達しても、繊維マットは誘電性能を維持し、浸透現象は発生しませんでした。
4. 機械的およびセンシング性能研究ではさらに、繊維マットの機械的性能をテストしました。結果、液体金属の添加により、繊維マットの応力-ひずみ性能が大幅に向上し、低い弾性率を維持することが示されました。繊維マットは70%の圧縮ひずみ下で142.8 kPaの応力を示し、優れた柔軟性と疲労抵抗性能を示しました。この繊維マットを用いた柔軟な容量センサーは、高い相対容量変化（最大δC/C0 = 6.32）と圧力感度（55 MPa⁻¹）を持ち、0-550 kPaの圧力範囲で安定して動作します。センサーのサイクル安定性テストでは、6000回の荷重-除荷サイクル後も、センサーの容量信号はほとんど減衰せず、優れた耐久性を示しました。
5. 応用デモンストレーション研究では、このセンサーがロボットグリッパーのインテリジェント選別、圧力分布モニタリング、リモートキーストロークモニタリングなどの分野での応用可能性をデモンストレーションしました。センサーをロボットグリッパーに取り付けることで、異なる形状の物体の識別と選別に成功しました。さらに、4×4のセンサーアレイを開発し、リアルタイムの圧力分布モニタリングを行い、Bluetoothモジュールを介してデータをスマートフォンアプリに送信し、リモートキーストロークモニタリングを実現しました。
結論と意義本研究は、静電紡糸技術を用いて、ナタネ形構造を持つ高液体金属充填率繊維マットを成功裏に製造し、液体金属充填誘電性エラストマーの浸透問題を効果的に解決しました。この繊維マットは、高い誘電率と優れた機械的性能を持つだけでなく、温度不感、防水、リサイクル可能などの特性を示します。この繊維マットを用いた柔軟な容量センサーは、インテリジェント選別、圧力モニタリング、ヒューマン・マシンインタラクションなどの分野で幅広い応用が期待されます。
研究のハイライト高液体金属充填率：初めて90%という高い液体金属充填率を実現し、従来の理論予測の浸透閾値（83%）を突破しました。
独特のナタネ形構造：静電紡糸技術により、液体金属の非均一分布を実現し、浸透現象を効果的に抑制しました。
優れたセンシング性能：センサーは高い感度、広い圧力範囲、長いサイクル安定性を持ち、複雑な環境での使用に適しています。
多機能応用：インテリジェントロボット、圧力モニタリング、リモートキーストロークモニタリングなどの分野でのセンサーの応用可能性を成功裏にデモンストレーションしました。
その他の価値ある情報本研究では、繊維マットのリサイクル方法も検討し、溶解と再紡糸プロセスを通じて、繊維マットのリサイクルに成功しました。さらに、有限要素法（FEM）シミュレーションを用いて、ナタネ形構造が電界分布において優れていることを検証し、浸透現象を抑制する役割をさらにサポートしました。
本研究の革新的な設計により、液体金属充填誘電性エラストマーの性能が大幅に向上し、柔軟な容量センサーの開発に新たな視点と方法を提供しました。今後の研究では、繊維マットの構造と性能をさらに最適化し、より多くの分野での応用を拡大することが期待されます。