传感器对于极端温度变化的瞬态监测是航空航天、兵器技术及核工业等国防军工领域设备和系统安全运行的重要保障。相较于传统刚性传感器,柔性传感器具有本征柔性,能够与复杂形状与曲面结构完美贴合,精准感知复杂曲面的温度、应变等物理参量。此外,其轻、薄、柔、透的特性能显著降低传感器的质量和体积,利于空天装备实现微型化、轻量化和智能化。然而,受限于柔性功能材料本身的不耐温特性以及界面的热适配与易失效性质,现有的柔性功能材料体系在高温环境中往往稳定性较差、传感特性衰减,难以同时实现高温和瞬态响应。
针对该挑战,西北工业大学黄维院士团队王学文教授课题组提出了一种基于超薄钼钨硫合金薄膜的柔性传感阵列,通过喷墨打印精准沉积可定制化的前驱体图案,结合热退火工艺实现了高质量钼钨硫合金薄膜的原位生长,显著提升了薄膜与衬底之间的结合力,有效保障了柔性器件在高温环境中的稳定性。该工艺能够精准调控钼钨硫合金薄膜的组分、形状、厚度、电性能等物理化学参数,有望拓宽其应用范围。
得益于柔性钼钨硫合金的超快载流子传输,制备的柔性传感器可实现在超宽温度范围内(-253到800℃)对温度的瞬态响应,其响应时间低至毫秒级,远低于基于碳纳米材料、半导体、金属等的传感器;基于上述性能优势,团队开发了柔性传感阵列,不仅实现了静态高温、低温物体形状的精准识别,而且能够对火苗、火焰等任意形状的二维空间重构,具有较高的空间分辨率。该研究成果不仅为设计、制备其它功能性敏感材料提供了新的思路,也为柔性传感器在极端环境中的应用提供了新的可能,有望推动空天装备的精细化设计,对于加速新一代重大装备研发进程具有重要的战略意义。
相关成果以“Microsecond-Scale Transient Thermal Sensing Enabled by Flexible Mo1-xWxS2 Alloys”为题发表在Research期刊。yl9193永利副教授李伟伟、硕士生孔令妍为本文的共同第一作者,黄维院士、王学文教授、郑璐副教授为共同通讯作者。
近年来,课题组围绕特种柔性感知材料与器件开展研究,已在Nat. Commun.、Sci. Adv.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.等国际权威学术期刊发表学术论文60余篇,同行引用8700余次;获授权中国发明专利15项、美国专利1项。课题组秉持将“极综合交叉学科赋能颠覆性创新”融入到人才培养和科学研究的全过程,不断探索“永利学”人才培养新方法,不断探究特种柔性感知在极端条件下的应用边界,不断探寻永利服务国家重大应用的智胜之道。
文章链接:https://doi.org/10.34133/research.0452
(文字:李伟伟 审核:王学文)