柔性传感器的灵活性和共形性克服了传统刚性传感器的局限，在可穿戴健康监测、人工电子皮肤和软体机器人等领域被广泛应用。然而，大动态载荷如高频振动和瞬态冲击，可能导致柔性传感组件结构不稳定甚至损坏，影响测量范围和传感精度。已有研究采用结构材料设计策略，如泡沫材料、TPMS晶格结构和超材料结构等，在吸能与传感性能方面有所提升，但仍存在比吸能不足和结构失稳等应用难题。
燕山大学郭澍、清华大学柳占立和湖北大学/湖北工业大学李靖联合团队针对传统柔性传感器在遭遇意外冲击时易发生结构失稳和损坏，导致测量范围与精度受限等问题，报道了一种基于互穿相复合材料架构（IPC²）的新型高性能柔性冲击传感器，通过模仿吸管/波纹管形状的波纹结构，结合内部互穿相导电核心，为柔性冲击传感器提供了卓越的结构稳定性和能量吸收能力（SEA=2.66±1.2kJ kg⁻¹），同时保持了低密度（ρ=720±10kg m⁻³）和优异的机电性能（GF≈39.6），解决了柔性传感器在冲击载荷下因结构失稳导致能量吸收不充分的问题。该传感器在可穿戴防护装备、车辆主被动安全结构、智能网联轮胎、可复用航天器着陆主动缓冲装置等领域具有广泛的应用前景。相关工作以“A Flexible Impact Sensor of Interpenetrating-Phase Composite Architecture with High Mechanical Stability and Energy-Absorbing Capability”为题发表在《Advanced Functional Materials》。第一作者为燕山大学起重机械全国重点实验室/车辆与能源学院郭澍，通讯作者为清华大学航天航空学院长聘教授柳占立和湖北大学/湖北工业大学副教授李靖。
【IPC2架构设计思路】
图1. IPC2架构设计概念图
文章所设计的IPC²架构将IPC通过波纹管形状的模具进行封装。架构的外部波纹管结构可提高承载能力和整体稳定性，内部互穿相复合材料因相位互锁和结构连续具备优异的传感及能量耗散性能。波纹管结构设计灵感来源于吸管波纹/波纹管，能在加载方向上引导变形，为结构带来稳定性。该结构由三个独立几何参数（外径R、内径r和凹槽角度θ）决定，文中通过数值模拟和实验验证，当IPC²架构几何参数组合为r=4mm、R=5.4mm、θ=45°时，具备最优全局稳定性，以及最佳的力学性能和机电性能（图1）。
【IPC2架构制备工艺和微观表征】
图2. IPC2架构制备工艺和微观表征
制备工艺上，将未固化的MWCNTs/PDMS混合物和MWCNTs@CF骨架在3D打印的波纹管模具中成型（图2a）。EDS能谱分析显示MWCNTs的代表性元素在CF骨架上分布均匀（图2b-e）。SEM图像显示，MWCNTs纳米片通过浸涂工艺均匀分散在CF横截面和表面，导电MWCNTs在CF骨架上的均匀分散确保了稳定的机电响应（图2g-i）。
【IPC2的力学性能和机电性能】
图3. IPC2架构仿真分析和准静态实验
研究者通过数值模拟和实验分析，发现在相同的轴向压缩变形条件下，带波纹管结构的IPC²更稳定，侧向位移更小，不易发生屈曲（图3a-b）。单轴压缩实验表明，带波纹管结构的IPC²结构稳定性和承载能力更高，压缩应力是不带波纹管结构的两倍（图3c）。这是因为波纹管结构提高了稳定性，减少了对屈曲、弧弯或偏移弯曲的敏感性，进而增强了IPC²架构的优势。
图4. 有/无波纹管结构的IPC2在动态冲击下的性能研究
为研究IPC²架构在动态加载条件下的稳定性，作者搭建了落锤冲击测试系统，包括冲击管、高速摄像机、以及电信号采集设备等（图4a）。在实验中，将200g重物从2m高度释放，以约6.2m/s的速度撞击IPC²架构，通过高速摄像机记录、测量IPC²架构的弯折角度来评估其结构变形（图4b）。实验结果表明，在单次冲击下，不带波纹管结构IPC²弯折角度θᵦ≈69.8°，卸载后残余弯折角度θᵦ'≈172.7°，结构变形恢复不完全；而带波纹管结构IPC²冲击时弯折角度θᵦ≈170.5°，卸载后几乎完全恢复（θᵦ'≈180°），抗冲击和自恢复能力出色（图4b）。多次冲击实验表明，带波纹管结构的IPC²在200次冲击后，抗冲击性能几乎不衰减。这得益于内部三维CF骨架的结构完整性、包裹聚合物PDMS的弹性支撑和波纹管结构共同导致的全局稳定性（图4c）。具体数据表明，带波纹管结构的IPC²架构比吸能（SEA）高达2.66±1.2 kJ kg⁻¹，结构密度仅为720±10 kg m⁻³。通过结合高比吸能和低密度的优势，IPC²架构在结构应用中有巨大的潜力（图4d）。
图5. IPC2架构传感器的机电性能测试
机电响应方面，IPC²架构具有更高的灵敏度（图5a），可分为小应变、中等应变和高应变三个线性区域（图5b），在0-1%压缩应变范围内，传感器展现出良好的线性度和最高应变灵敏度（GF₁=39.1）。此外，I-V曲线表明，IPC²传感器具有明显的欧姆特性（图5c）。长期稳定性和耐久性测试结果显示，在不同压缩应变循环载荷下，IPC²传感器在数千次动态负载中表现出良好的可重复性和稳定的压阻性能。
【IPC2架构传感器的应用】
图6. IPC²架构传感器在实际应用中的机电响应
为研究IPC²架构传感器在高速冲击下的性能，将带波纹管结构的IPC²、不带波纹管结构的IPC²和普通钢板嵌入玩偶胸部进行对比。实验采用30m/s的速度发射弹丸撞击样本，通过弹丸的反弹距离评估嵌入结构的能量吸收性能。实验结果显示，佩戴普通钢板的玩偶因大部分冲击能量直接作用于自身而被击倒；佩戴IPC²波纹管结构传感器的玩偶位置保持不变。这表明IPC²架构传感器具有良好的吸能效果。击打带波纹管结构的IPC²传感器的弹丸反弹距离更小，说明其能量吸收能力优于不带波纹管结构的IPC²传感器（图7a-c）。在冲击过程中，不带波纹管结构的IPC²传感器产生的电信号具有多个峰值且幅值显著偏低；而带波纹管结构的IPC²传感器对冲击负载表现出稳定的电信号响应，适用于冲击载荷下的传感应用（图7d）。本文提出一种创新的设计策略，将波纹管结构与3D互穿相复合，构建了具备卓越结构稳定性、高比吸能和优异机电性能的IPC²架构。研究人员所设计的外部波纹管结构增强了承载和抗冲击能力，内部导电互穿相结构实现高效能量耗散与稳定的机电响应，有效地实现了柔性传感器在冲击载荷下的稳定吸能。IPC²架构传感器在高速冲击试验中表现出色，有望应用于可穿戴防护装备、车辆主被动安全结构、智能网联轮胎和可复用航天器着陆主动缓冲装置等领域，为柔性传感器的技术发展提供了新方向和新思路，推动其在更多领域的广泛应用。
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