研究背景

流體輸運管道網絡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泄漏，往往導致巨大的資源浪費、公共安全隱患和生態破壞。當前的泄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、監測范圍有限、對微小液體泄漏不敏感，且難以實現實時監測。因此，亟需開發一種高效、低成本、覆蓋范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泄露事件的能力。聚合物基柔性應變傳感器能夠實時將外力變化轉化為電信號，具有高靈敏度和柔韌性的優勢，在液體泄漏檢測方面展現出巨大潛力。然而，如何將這種傳感器用于管道的實時無線泄漏檢測，同時實現靈敏度、耐久性和批量生產之間的最佳平衡，仍是一個重大挑戰。

本文亮點

1. 提出了利用微擠壓成型和表面改性技術大規模制造超疏水熱塑性聚氨酯傳感器(TCGS)的方法。

2. 受蝎子的啟發，TCGS 采用了阿基米德螺旋裂紋陣列和微孔，在 2% 應變時靈敏度達到 218.13，提高了 4300%，耐用性超過 5000 次。

3.TCGS 強大的超疏水性提高了檢測小規模液體泄漏的靈敏度和穩定性，可對各種規模和成分進行精確監測，同時在各種情況下提供預警。

內容簡介

管網液體泄漏不僅造成大量資源浪費，還導致環境污染和生態失衡。針對這一全球性問題，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院士開發了一種由生物啟發的超疏水熱塑性聚氨酯/碳納米管/石墨烯納米片柔性應變傳感器(TCGS)，采用微擠壓成型和表面改性相結合的方法，用于實時無線檢測液體泄漏。受蝎子感知能力的啟發，TCGS利用阿基米德螺旋裂紋陣列和微孔的協同效應，在應變為2%時其靈敏度達到218.13。此外，它還實現了超過5000次的使用周期，表現出超強的耐用性。

圖文導讀

ITCGS 的設計和制造

蝎子通過關節之間的彎曲裂縫感應器感知周圍的振動，裂縫感應器表面大約有十二條彎曲的裂縫，下面有許多細胞。受蝎子這種能力的啟發，結合工業化的μ-ECM和表面改性技術，設計了一種TCGS。圖1b展示了制備過程中的兩個主要步驟：(i)通過μ-ECM制備TPU/CNTs(TC) 泡沫；(ii)通過表面改性和組裝制備TCGS。TCGS由三層組成：由GNS和PDMS制成的超疏水導電層、帶有植入電極的微孔-裂縫協同導電 TC 泡沫和 TPU 薄膜支撐層(圖1c)。

圖1. 受蝎子感知系統啟發的TCGS的示意圖。a 蝎子擁有超靈敏的裂縫器官，幫助它們感知外部力和振動。放大的圖像描述了感知系統，由裂縫陣列、眾多細胞和神經元組成。b 展示了TCGS制備過程的示意圖。c TCGS在實時無線檢測液體泄漏中的應用。 ? ? IITCGS 的結構和特性 TCGS 的結構分為三個層次：微孔、阿基米德螺旋裂紋陣列和表面的GNS/PDMS涂層。TC-1 的尺寸為 40 × 40 × 1 mm3，重量輕，密度為0.586 g cm?3，可以很容易地用粉紅色花朵支撐(圖2)。測試結果表明，ERE 中的體積延伸流實現了Na?SO?和CNTs在TPU基質中的均勻分散，形成了孔徑分布均勻的穩定三維互連導電網絡。 圖2. TCGS的微觀形態和特性。a 由一朵粉色花朵支撐的方形TC-1。b TC-1在去離子水中浸泡12小時前后的對比。c FTIR光譜。d TC-0、TC-0.5、TC-1、TC-1.5和CNTs的XRD圖譜。e 拉伸應力-應變曲線。f TC泡沫的拉伸強度和斷裂伸長率。g TC泡沫的孔徑分布。h TC-1的橫截面SEM圖像。i h的放大視圖，j, k TCGS-7的表面SEM圖像。l TCGS-7的橫截面SEM圖像和m元素分布。n 激光掃描共聚焦顯微鏡圖像。o GNS、TC-1和TCGS-7的XPS全譜。p TCGS-7的C 1s XPS光譜。 ? ? III應變傳感性能 對不同裂紋寬度的TCGS進行測試，寬度為50 μm的傳感器在0至2%應變范圍內靈敏度最高，為218.13，明顯高于其他寬度的傳感器(圖3)。窄裂紋的開合范圍有限，導致導電路徑的微小變化，降低了靈敏度；而過寬的裂紋則減少了導電路徑的變化，削弱了機械強度，影響了穩定性。在裂紋深度方面，當TCGS-7的裂紋深度從65 μm增加到155 μm時，靈敏度先增加后降低。深度為130 μm的傳感器在 2% 應變時靈敏度最高，超過深度為155 μm和65 μm的傳感器的靈敏度，分別為200.24和98.79。雖然較深的裂縫會提高靈敏度，但過深的裂縫可能會降低穩定性。

圖3. TCGS的工作機制和性能。a 在0到2%應變范圍內的電阻變化。b 在0.1%、0.2%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%和1%應變下的ΔR/R0-應變曲線。c 在0.3%應變下，不同施加頻率的ΔR/R0-應變曲線。d 在0.2%應變下的響應和恢復時間。e 在0.3%應變下超過5000周期的長期穩定性。f FEA模擬，模型中N的值為0、3、5和7。g 對于N=7的模型，在不同壓力下的位移變化。h 在不同應變下，微孔-裂縫協同結構內的應力分布和電流密度模分布。i 與最近文獻報道的柔性應變傳感器相比，我們傳感器的靈敏度。

IV潤濕性和液滴檢測性能

超疏水表面具有超強的疏水性，對于提高液體泄漏檢測傳感器的靈敏度和耐用性至關重要。這種疏水性是通過高表面粗糙度和低表面能的協同組合實現的在這項工作中，采用了一種具有成本效益且可擴展的方法來開發傳感器的超疏水表面。首先，通過超聲波將GNS和PDMS均勻地分散在EA溶液中。通過精確控制噴涂速度，實現了噴涂速度和溶劑蒸發速度之間的平衡，從而在傳感器表面形成了均勻的微納米結構GNS/PDMS 涂層。加熱后，PDMS固化，TPU基質軟化，將GNS牢固嵌入復合基質中，從而確保了微納米結構的穩定性。

圖4. 對包括靜態潤濕性、動態潤濕性和各種液滴的電氣響應信號在內的傳感器特性分析。a 對CA、RA和靜態潤濕性的分析。b 選定的快照顯示了液滴以0.77和0.99 m/s的速度撞擊TCGS-7表面，包括動態潤濕性分析。c 對從30 cm高度掉落的不同大小的水滴的電氣響應，包括線性分析。d 對從不同高度掉落的70 μL水滴的電氣響應，進行線性分析。e 對各種組成的水滴的響應：自來水、酸性(pH=4)、堿性(pH=10)、5%鹽水溶液和5%泥漿溶液。f 分析了不同pH水平、鹽濃度和泥漿含量的溶液中液滴的CA、RA和電氣響應。g 對水滴的電氣響應信號進行長期檢測。

VTCGS 在液體泄漏檢測中的應用

在城市的地下，復雜的管道網絡是城市運行的生命線，輸送著水和其他重要液體。然而，頻繁的泄漏不僅會浪費資源，還會帶來環境和公共安全風險。為應對這一挑戰，使用TCGS進行泄漏檢測提供了一種有效的解決方案。具體來說，TCGS的電極與微控制器相連，微控制器捕捉液體泄漏引起的電阻信號變化，并通過藍牙或WiFi將這些信號無線傳輸到智能手機，從而實現遠程監控。此外，泄漏檢測裝置還能通過不同顏色的警告直觀地顯示泄漏的嚴重程度，從綠色表示無泄漏到紅色表示嚴重泄漏，從而使管道管理人員能夠快速識別和解決這些問題。在城市管道系統中廣泛部署這些泄漏檢測裝置，可確保及時檢測和定位泄漏。

圖5. 基于TCGS的泄漏檢測設備的應用。a 城市下管道分布和泄漏的概覽(左)，不同管道泄漏的放大視圖(中)，以及基于TCGS的泄漏檢測設備的組件(右)。b 液體泄漏檢測過程：從正常狀態，到水滴泄漏，小水流泄漏，大水流泄漏，最后恢復。c 泄漏檢測的硬件設計。d 軟件設計。e 正常狀態、水滴泄漏、小水流泄漏、大水流泄漏的響應信號。f 對各種液體的泄漏檢測：酸性(pH=5)、堿性(pH=10)、鹽水(5%濃度)和泥漿(5%濃度)。

VI總結

綜上所述，成功開發了一種 TCGS 泄漏檢測裝置，該裝置具有超高的靈敏度和穩定性，能夠靈敏、高精度地檢測液體泄漏并發出警告。受蝎子傳感機制的啟發，TCGS利用了微孔和阿基米德螺旋裂紋的協同效應，具有以下優點：(1)制造方法結合了μ-ECM和表面改性，具有成本效益高、簡單易用和可擴展性強的特點；(2)阿基米德螺旋裂紋陣列將傳感器的靈敏度提高了 4300%，在應變僅為2%的情況下靈敏度達到218.13 ；(3)微孔和裂紋的協同結構大大降低了應力集中，極大地提高了傳感器的穩定性，確保了超過 5000 次的使用壽命；(4)TCGS的堅固超疏水性有效防止了液體附著，即使在潮濕環境中也能保持高靈敏度和穩定性；(5)它能夠定量檢測各種大小和速度的小體積液體，線性響應超過0.98；(6)該設備支持實時無線檢測各種液體的泄漏，包括水、酸、堿、鹽溶液和泥漿。基于 TCGS 的設備涵蓋了從液滴到大流量泄漏的各種泄漏情況，并能及時發出警報。因此，該檢測裝置因其卓越的環境適應性和可擴展性，在防止全球液體泄漏和促進可持續發展方面具有實用價值。

審核編輯 黃宇