摘要：第一作者：Weilong Zhou通讯作者：Jinlian Hu，Ting Wu，Heng Xie通讯单位：香港城市大学，华中科技大学，武汉理工大学DOI: 10.1007/s40820-024-01575-2
第一作者：Weilong Zhou
通讯作者：Jinlian Hu，Ting Wu，Heng Xie
通讯单位：香港城市大学，华中科技大学，武汉理工大学
DOI: 10.1007/s40820-024-01575-2
在当代城市环境中，管道网络在饮用水和工业流体等基本资源的分配中发挥着至关重要的作用，支撑着城市的平稳运行和居民的福祉。尽管这些基础设施具有重要意义，但它们不可避免地面临泄漏问题，这是长期使用、腐蚀、自然灾害或故意篡改的结果。此类事件不仅浪费了宝贵的水资源，而且对公共健康和安全构成直接风险，对城市生态系统造成持久破坏，并可能引发严重事故，导致重大经济和人员损失。目前的泄漏检测方法依赖于声学设备、光纤传感器、红外传感器和雷达等专用硬件，经常遇到障碍。这些因素包括成本高、监测范围有限、对轻微泄漏不敏感以及无法实时连续监测。鉴于这些挑战，开发一种新型的泄漏检测技术势在必行，该技术将高效、经济实惠与广泛的覆盖范围和实时远程监控能力相结合。这种进步对于提高城市应对环境紧急情况的能力和保障公共安全至关重要。
近年来，超疏水柔性应变传感器因其出色的灵活性和高灵敏度，在液体泄漏检测中的应用前景广阔。这些传感器巧妙地设计成不规则形状，擅长检测三维空间内难以接近的故障位置。它们有效地将外力的变化实时转化为电响应信号的变化，表现出非凡的灵敏度。超疏水柔性应变传感器主要由聚合物和导电材料构成，通过光刻、蚀刻、印刷和切割等复杂方法生产，产生各种尺寸和形状。目前的研究工作旨在提高传感器的灵敏度、耐用性和响应时间，并与无线技术集成。超疏水性的增强对于在液体环境中保持传感器功能也至关重要，显著提高了对微小液体泄漏的检测。为了实现这些改进，研究人员设计了一系列微纳米结构，包括微孔、裂纹、波浪、网格和排列图案，并采用了MXenes、石墨烯纳米片（GNS）和碳纳米管（CNT）等先进材料来优化性能。然而，在实际应用中，找到这些性能指标之间的最佳平衡并扩大超疏水柔性应变传感器的连续生产仍然是一个重大挑战。
本文亮点
1. 本工作提出了微挤出压缩成型和表面改性用于大规模制造超疏水热塑性聚氨酯传感器（TCGS）。
2. 受蝎子的启发，TCGS具有阿基米德螺旋裂纹阵列和微孔，在2%应变下达到218.13的灵敏度，增加4300%，耐用性超过5000个使用周期。
3. TCGS强大的超疏水性提高了检测小规模液体泄漏的灵敏度和稳定性，允许对各种尺寸和成分进行精确监测，同时在各种情况下提供预警。
图文解析
图1. 受蝎子感觉系统启发的TCGS示意图。a蝎子拥有超灵敏的裂纹器官，有助于它们感知外力和振动。放大的图像描绘了由裂纹阵列、大量细胞和神经元组成的感觉系统。b显示TCGS制备程序的图示。c TCGS在液体泄漏实时无线检测中的应用。
图2. TCGS的微观形态和特征。a由粉红色花朵支撑的方形TC-1。b TC-1在去离子水中浸泡12小时前后显示。c傅里叶变换红外光谱。d TC-0、TC-0.5、TC-1、TC-1.5和碳纳米管的XRD图谱。e拉伸应力-应变曲线。f TC泡沫的抗拉强度和断裂伸长率。g TC泡沫的孔径分布。h TC-1的横截面SEM图像。i TCGS-7的h、j、k表面SEM图像的放大图。l TCGS-7的横截面SEM图像和m元素分布。n激光扫描共聚焦显微镜图像。o GNS、TC-1和TCGS-7的XPS测量光谱。TCGS-7的p C 1s XPS光谱。
图3. TCGS的工作机制和性能。a电阻在0至2%的应变范围内变化。b 0.1%、0.2%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%和1%应变下的ΔR/R0应变曲线。c在0.3%应变下，不同施加频率下的ΔR/R0应变曲线。d 0.2%应变下的响应和恢复时间。e在0.3%应变下可长期稳定5000次循环。f有限元分析模拟模型。g模型在不同压力下的位移变化。h不同应变下微孔裂纹协同结构内的应力分布和电流密度模量分布。i文献中最近报道的柔性应变传感器的灵敏度与我们的传感器的比较。
图4. 分析传感器特性，包括各种液滴的静态润湿性、动态润湿性和电响应信号。a CA、RA和静态润湿性分析。b选定的快照显示液滴以0.77和0.99 m s−1的速度撞击TCGS-7表面，并结合了动态润湿性分析。c对从30厘米高度落下的不同大小水滴的电响应，包括线性分析。d对从不同高度落下的70μL水滴的电响应，进行线性分析。e 对各种水滴成分的反应：自来水、酸性（pH=4）、碱性（pH=10）、5%盐水和5%泥浆溶液。f分析CA、RA以及不同pH值、盐浓度和泥浆含量溶液中液滴的电响应。g水滴电响应信号的长期检测。
图5. 基于TCGS的泄漏检测装置的应用。a城市下方管道分布和泄漏概述（左），不同管道泄漏的放大图（中），以及基于TCGS的泄漏检测装置的组件（右）。b液体泄漏检测过程：从正常状态，到水滴泄漏、小流量泄漏、大流量泄漏，最后恢复。c泄漏检测硬件的设计。d软件设计。e正常状态、液滴泄漏、小流量泄漏、大流量泄漏的响应信号。f各种液体的泄漏检测：酸性（pH=5）、碱性（pH=10）、盐水（5%浓度）和泥浆（5%浓度）。
来源：华算科技
