复合材料因其卓越的机械性能、绝缘特性和粘合能力，广泛应用于汽车、海洋工程、电子和航空航天等多个领域。作为复合材料制备过程中的关键步骤，固化过程不仅实现了复合材料从液态到固态的转变，而且直接影响其机械性能。因此，精确监控复合材料的固化过程对提高材料质量、缩短生产周期和降低生产成本至关重要。当前，刚性传感器被广泛应用于复合材料固化过程的在线监测，旨在防止过度固化或固化不足。然而，刚性传感器在固化过程中往往会导致复合材料内部产生裂纹和气泡，这对材料的机械性能和整体可靠性造成负面影响。因此，设计一种新型的柔性传感器，以实现有效固化监测的同时不破坏复合材料的可靠性，已成为当前研究领域的重要目标。
中国科学院深海科学与工程研究所Yang Yang联合天津工业大学Bowen Zhang、深圳大学Chenjing Shang以及日本奈良先端科学技术大学院大学成功研发出一种用于在线监测复合材料固化的三维曲面自适应型的可拉伸柔性介电传感器（s-IDS）。该成果不仅解决了传统刚性传感器对复合材料带来的负面影响，如破坏复合材料的机械性能、缩短复合材料的使用寿命等问题，而且还扩大应用范围，实现了在复杂三维曲面场景下的固化监测。优异的柔韧性能：s-IDS整体设计采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为基底，银纳米线（AgNWs）作为电极，具有出色的柔韧性，能够在0°-180°下承受1000次的弯曲循环，并且还能在30%的应变下承受拉伸循环1000次。卓越的三维曲面适应性：本工作设计的s-IDS对三维曲面具有卓越的适应性，使其能够完全贴附在"奋斗者"号深海潜水器的尾部，并成功实现了曲面固化监测。此外，与平面固化监测的单位灵敏度相比，曲面固化监测的单位灵敏度仅降低了0.4%。高可靠性和高灵敏性：s-IDS在经历5个月的大气暴露测试后，依旧保持较高的单位灵敏度，与未进行测试的s-IDS相比，其单位灵敏度仅下降了0.1%。
在实际应用中，该s-IDS被贴合在“奋斗者”号深潜器模型的尾部进行三维曲面复合材料的固化监测。在监测过程中，s-IDS与模型尾部紧密贴合，实时监测固化信号，并且在监测完成后，发现s-IDS并未对复合材料造成不良影响。最后，为进一步提升固化监测设备的便携性和商业价值，设计了一种自组装的柔性介电监测系统，以便于信号的采集和传输。这一设计系统不仅简化了固化监测的整体装置，也为实际应用提供了更高的便利性。
图6：s-IDS应用于三维表面固化监测及电路系统设计。(a) “奋斗者”号深海潜水器模型示意图。(b) 柔性电路系统示意图。(d) 25°C下三维曲面固化监测期间的电容变化。(e) 使用设计电路进行固化监测时的电容变化。(f) 使用暴露在空气中5个月的s-IDS进行固化监测时的电容变化。
可拉伸柔性介电传感器（s-IDS）的出现，不仅解决了传统刚性传感器嵌入复合材料中导致的机械性能和可靠性能下降的问题，还极大地拓展了固化监测的应用场景。随着技术的不断成熟和应用推广，s-IDS有望实现集成化、小型化和商业化的发展。研究团队表示，未来将继续优化传感器的各项性能，并集成温度监测、无线通信等功能，以实现智能化配置。作者期待这一技术能够为全球的固化监测研究作出更大的贡献。
【参考文献】
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.4c02022
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