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      傳統(tǒng)的水聽器（水下傳感器）采用光纖和壓電陶瓷作為敏感元件材料，近期，浙江農(nóng)林大學(xué)生物質(zhì)仿生智能實驗室孫慶豐教授和沈曉萍副教授，與美國得克薩斯理工大學(xué)Julia L. Shamshina助理教授合作提出了一種全木質(zhì)基的基于分級自匹配的壓容式水下機械感受器的新思路。通過構(gòu)建微樹叢木材電極（PW）和自褶皺抗脹纖維素基水凝膠介電層（MPASH），自組裝而成具有分級匹配微圖案的木質(zhì)基壓容機械感受器，該木質(zhì)基離子電容傳感器-水聽器表現(xiàn)出超高靈敏度（1153 kPa-1）和超低檢測限（LOD = 6.4 Pa）。軟性水凝膠因其具備與水聲阻抗匹配的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)壓阻、電容和晶體管式等機械波探測機制，也被視為有潛力的水下探測候選材料。

1、木質(zhì)基電極和介電層構(gòu)建

PW表面上直徑約為200nm的單個聚吡咯納米粒子逐漸聚集成具有樹枝狀結(jié)構(gòu)的超過30μm的簇，形成一個充滿孔隙（10-300μm）的分級導(dǎo)電微樹叢微觀結(jié)構(gòu)，為電子和離子擴散提供了納米儲庫和通道。MPASH自褶皺皺紋的波長（λ）和振幅（A）受到邊緣效應(yīng)的影響，由硬邊緣引起的應(yīng)力釋放導(dǎo)致相對有序的皺紋圖案，而遠(yuǎn)離硬邊界的區(qū)域呈現(xiàn)無序的隨機皺紋，總體而言，λ和A分別為20.7 μm和22.0 μm。

▲PW的微樹叢微結(jié)構(gòu)

▲MPASH的自褶皺和抗脹機制

2、組裝與性能

全木質(zhì)基水聽器采用懸浮MPASH振膜、支撐電極環(huán)、絕緣環(huán)、多孔PW電極、具有多個孔的電流收集背板和一個緊固件組裝而成，MPASH-電極環(huán)和PW-電流收集器之間采用水下導(dǎo)電膠粘劑粘接。為了進(jìn)行準(zhǔn)確的測量，該傳感器安裝在帶有孔的PW和基底上，隨后采用金屬外殼進(jìn)行封裝。轉(zhuǎn)換電路模塊包括偏置電路、反饋回路、放大級別和輸出調(diào)節(jié)組件，以將電容信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。水下聲波探測在一個自制的無回聲水槽中進(jìn)行測量，以減少回聲干擾。在轉(zhuǎn)換和信號放大之前，已經(jīng)可以觀察到木質(zhì)基水聽器對掃頻聲波的敏感電容信號變化響應(yīng)。

▲木質(zhì)基水聽器組裝和性能測試

3、具有高靈敏探測機制

制造木質(zhì)基水聽器的關(guān)鍵在于建立分層自內(nèi)充性，指經(jīng)過有意設(shè)計的配置，即分級自褶皺的MPASH介電層水凝膠和PPy微樹叢狀聚吡咯木材電極組裝后，通過自匹配機制來zui大化變形微區(qū)域面積，并在分級可變形MPASH微圖案上引起局部應(yīng)力集中。

▲分級自匹配微圖案化機械感應(yīng)機制

4、測試結(jié)果

在實際的水下聲學(xué)監(jiān)測過程中，水壓和水溫的影響是不可避免的。目前的測試表明，就水溫而言，盡管基準(zhǔn)水平不同，木質(zhì)基水聽器在25℃和5℃的水環(huán)境中均表現(xiàn)出令人滿意的聲學(xué)感應(yīng)能力。其二，在深海探測應(yīng)用中，水聽器的外殼需要進(jìn)一步進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化以承受水壓，更多針對性的研究還需繼續(xù)開展，例如透聲窗口的抗壓性和聲學(xué)透過性，以及水壓和溫度因素影響下的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。

5、意義

為推動水下探測技術(shù)的發(fā)展，大量工作已致力于研發(fā)水下機械感應(yīng)材料及其相應(yīng)的集成設(shè)備，以在海洋環(huán)境中精準(zhǔn)傳遞信息，木質(zhì)基水聽器用于水下智能探索、水下監(jiān)測與通信在追蹤海洋洋流和表面波浪、探測與監(jiān)測水下器械、進(jìn)行海洋生物學(xué)研究、監(jiān)測潛水運動、實現(xiàn)水下無線通信、探測水下聲波等方面具有重要意義。

來源：高分子科學(xué)前沿