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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，浙江農林大學生物質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Julia L. Shamshina助理教授合作提出了一種全木質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基壓容機械感受器，該木質基離子電容傳感器-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，能夠實現(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、木質基電極和介電層構建

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構的超過30μm的簇，形成一個充滿孔隙（10-300μm）的分級導電微樹叢微觀結構，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）受到邊緣效應的影響，由硬邊緣引起的應力釋放導致相對有序的皺紋圖案，而遠離硬邊界的區(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的微樹叢微結構

▲MPASH的自褶皺和抗脹機制

2、組裝與性能

全木質基水聽器采用懸浮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電膠粘劑粘接。為了進行準確的測量，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行封裝。轉換電路模塊包括偏置電路、反饋回路、放大級別和輸出調節(jié)組件，以將電容信號轉換為電壓信號。水下聲波探測在一個自制的無回聲水槽中進行測量，以減少回聲干擾。在轉換和信號放大之前，已經可以觀察到木質基水聽器對掃頻聲波的敏感電容信號變化響應。

▲木質基水聽器組裝和性能測試

3、具有高靈敏探測機制

制造木質基水聽器的關鍵在于建立分層自內充性，指經過有意設計的配置，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力集中。

▲分級自匹配微圖案化機械感應機制

4、測試結果

在實際的水下聲學監(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，盡管基準水平不同，木質基水聽器在25℃和5℃的水環(huán)境中均表現(xiàn)出令人滿意的聲學感應能力。其二，在深海探測應用中，水聽器的外殼需要進一步進行設計優(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透過性，以及水壓和溫度因素影響下的數據校準。

5、意義

為推動水下探測技術的發(fā)展，大量工作已致力于研發(fā)水下機械感應材料及其相應的集成設備，以在海洋環(huán)境中精準傳遞信息，木質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、進行海洋生物學研究、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：高分子科學前沿