流體輸運管道網路的正常運轉是居民生活和工業生產的重要保障。然而，因長期使用、腐蝕、自然災害或人為破壞引發的管道洩漏，往往導致巨大的資源浪費、公共安全隱患和生態破壞。當前的洩漏檢測技術主要依賴聲學檢測、光纖檢測、紅外檢測和雷達檢測等技術手段，但這些方法成本高、監測範圍有限、對微小液體洩漏不敏感，且難以實現實時監測。因此，亟需開發一種高效、低成本、覆蓋範圍廣且具備實時監控能力的新型檢測技術，以增強應對突發管道洩露事件的能力。聚合物基柔性應變能夠實時將外力變化轉化為電訊號，具有高靈敏度和柔韌性的優勢，在液體洩漏檢測方面展現出巨大潛力。然而，如何將這種感測器用於管道的實時無線洩漏檢測，同時實現靈敏度、耐久性和批次生產之間的最佳平衡，仍是一個重大挑戰。
受蠍子卓越感知能力的啟發，華中科技大學瞿金平院士/吳婷副教授聯合香港城市大學胡金蓮教授，透過微擠注壓縮成型結合表面修飾的方法，開發了一種仿生超疏水熱塑性聚氨酯/碳奈米管/奈米片柔性應變感測器（TCGS）（圖1）。該感測器由微孔、裂紋和超疏水導電塗層三級結構組成，能夠在不同方向的外力作用下產生變形，並透過表面結構和內部結構導電網路的協同變化，實現對微小應變的高靈敏度響應（圖2）。
圖1 仿生超疏水柔性應變感測器的製備流程
圖2 仿生超疏水柔性應變感測器的微觀結構表徵和機械效能
相較於傳統的聚合物基微孔或裂紋感測器，TCGS利用阿基米德螺旋裂紋陣列和微孔的協同效應，展現出超高的靈敏度和穩定性。在2%應變下，其靈敏度達到218.13，比單一微孔結構的感測器提高了4300%。此外，該感測器具備優異的耐久性，可承受超過5000次迴圈使用（圖3）。TCGS的超疏水導電錶面顯著提升了溼潤環境中液體洩漏檢測的靈敏度和穩定性，使其能夠精確監測不同尺寸、速度和成分的液體洩漏，並確保在多種液體環境中具備出色的靈敏度和準確性（圖4）。
圖3 仿生超疏水柔性應變感測器的感測效能和工作機制
圖4 仿生超疏水柔性應變感測器的潤溼效能以及對不同液滴的響應訊號
進一步，將TCGS整合到洩漏檢測裝置中後，可實現對液體洩漏的實時無線監測，適用於從微小液滴到大流量的多種洩漏場景，並提供即時警報（圖5）。該高靈敏度洩漏檢測裝置在管道網路中具有廣泛應用前景，能夠快速響應洩漏事件、防止資源浪費，有效降低安全風險，推動可持續發展。
圖5 仿生超疏水柔性應變感測器在液體洩漏實時無線檢測方面的應用
相關工作以Bioinspired ultrasensitive flexible strain sensors for real-time wireless detection of liquid leakage為題發表在《 Nano-Micro Letters 》上。
瞿金平院士華中科技大學團隊自2019年組建至今，主要圍繞多相多組分體系傳遞與反應過程強化、生態難消納物質綠色化替代與再利用、功能材料綠色高效製造與產業化應用開展相關研究工作。團隊與國內外眾多高校、研究機構和企業保持密切合作，目前在研縱向和橫向專案多項，擁有一批先進的高分子材料合成、加工和測試表徵儀器裝置，具備完善的研究設施和科研條件。團隊常年招收碩士研究生、博士研究生、科研助理、機械工程師和博士後（[email protected]）。
吳婷，華中科技大學化學與化工學院副教授，長期致力於聚合物成型加工新方法與仿生功能高分子複合材料研究，在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano-Micro Lett 、ACS Nano、Nano Energy、Small、Chem. Eng. J.等期刊上發表SCI收錄論文40餘篇，其中一作/通訊SCI論文30餘篇，4篇入選ESI Top 1%高被引，1篇入選熱點論文，研究成果被《科技日報》多次報道，申請發明專利16件，授權發明專利6件，主持國家自然科學基金青年專案、國家重點研發計劃專案子課題、湖北省自然科學基金青年專案等國家/省部級科技專案5項，主持橫向專案3項，現任《Biomimetics》客座編輯、《Journal of Bionic Engineering》和《塑膠工業》青年編委。
文章連線：https://doi.org/10.1007/s40820-024-01575-2
來源：高分子科學前沿
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