近日，海博论坛 金属基复合材料全国重点实验室郭益平教授课题组在柔性压电传感领域再获重要进展。其最新研究成果以 “Auxetic-Assisted Decoupling Strategy for High-Sensitivity Multimodal Sensing of Temperature and Strain” 为题，正式发表于国际著名材料期刊《Advanced Functional Materials》（DOI: //doi.org/10.1002/adfm.202525166）。
本项研究创新提出基于“旋转-方块”负泊松比结构的应变–温度双参量解耦策略，实现了在强热-力耦合环境下的高精度多模态感知，突破了传统传感器在多物理场耦合下易产生信号干扰的技术瓶颈。研究成果展现出在复杂、多参量工况中稳定运行的卓越性能，为未来新一代智能化、环境自适应传感系统的发展提供了重要技术支撑。
随着新能源汽车、可穿戴设备和大型储能电站的快速发展，锂离子电池的安全监测成为亟待解决的关键问题。电池在工作过程中会经历显著的热–力耦合变化，如热量堆积、气体析出引起的鼓胀、电极结构形变等，这些早期迹象往往预示着潜在的热失控风险。因此，需要一种能够同步监测温度与形变的多模态传感技术，实现电池健康状态的实时评估。然而，现有柔性传感器在双参量检测中普遍存在信号串扰，并在高温环境下易失效。为实现有效解耦，目前不少方案依赖复杂的电路补偿或机器学习算法，但随之带来能耗高、硬件体积大等问题，难以满足电池系统对长期稳定性和低功耗的严格要求。
本研究提出了一种基于模量异质“旋转-方块”负泊松比结构的创新解耦策略，实现了温度与应变传感单元在器件层面的垂直隔离，从源头上几乎完全消除了热–力信号的串扰。该结构在拉伸时，其刚性单元会发生旋转，从而使温度敏感模块免受形变影响；而柔性单元则产生全向扩张，显著增强钾钠铌酸盐（KNN）无铅压电层的面内应变，有效补偿其固有 d31 系数较低的缺陷。得益于这一结构设计，温度传感单元在 25–130 °C 范围内均保持高度稳定与完全独立的响应，温度分辨率可达 0.1 °C。同时，首次开发的 KNN 架构压电单元可实现 100% 拉伸，并能在无热干扰的情况下识别微至 5 μm 的表面鼓包。当应用于软包锂电池时，该传感阵列可同时监测过热与胀气起鼓等失效迹象，为复杂环境下的结构健康监测提供了一种紧凑而可靠的双参量感知解决方案。
图 1 多模态传感器的结构设计与应用（a）器件结构示意图。（b）拉伸前器件状态俯视结构示意图；（c）拉伸后器件状态俯视结构示意图。（d）该多模态器件可应用于软包电池的安全监测。
论文第一作者为海博论坛 2021级直博生殷淏，海博论坛 郭益平教授为论文的通讯作者。该项工作得到了国家重点研发计划（No.2022YFA1205300 and No.2022YFA1205304）的资助。
供稿：郭益平课题组