柔性磁电传感器中的磁性颗粒如何分布|飞纳电镜 Phenom Pharos G2 表征案例

在柔性磁电传感器研究中，NdFeB 磁性颗粒在 Ecoflex 柔性基体中的分布状态，是理解复合材料结构及后续传感性能的重要基础。武汉纺织大学等单位研究团队在《Advanced Functional Materials》发表研究论文，开发了一种基于三维间隔织物的非嵌入式磁电智能传感器 NEMIS。研究人员使用飞纳电镜 Phenom Pharos G2 台式场发射扫描电镜观察 NdFeB/Ecoflex 复合薄膜，为不同磁性颗粒含量下的微观结构分析提供依据。

核心结论：扫描电镜图像显示，随着 NdFeB 含量由 20 wt.% 增加至 80 wt.%，复合薄膜视野中的磁性颗粒数量明显增加；研究结果同时显示，这些颗粒能够较均匀地分布在 Ecoflex 膜内部。

图1  研究论文《Multifunctional 3D Fabric Sensors Enabled by Electromagnetic Induction》

这项研究解决了什么问题

传统柔性磁电传感器通常将导电线圈直接嵌入 Ecoflex、TPU 或水凝胶等柔性材料中。材料受力后，弹性基体发生形变，内部磁性颗粒产生相对位移和磁场变化，线圈据此感知磁通量变化并产生感应电动势。原文指出，这种嵌入式结构会带来金属线圈与柔性基体相互约束的问题，可能影响整体变形能力；磁性材料持续形变时还可能出现磁轴方向变化，进而影响传感信号稳定性。

研究团队因此提出基于三维间隔织物的非嵌入式结构。传感器顶层为感知磁通量变化的铜线圈，中间层为提供弹性压缩和回弹空间的三维间隔织物，底层为提供磁场的 NdFeB/Ecoflex 柔性磁性复合膜。受压时，中间织物压缩，线圈与磁性层之间发生相对位移，穿过线圈的磁通量随之变化并产生感应电动势。

图2  NEMIS 非嵌入式柔性磁电传感器结构、工作原理及应用场景示意图

NEMIS 柔性磁电传感器如何制备

制备过程中，研究人员先将 NdFeB 磁性颗粒分散于 Ecoflex 中，并与三维间隔织物结合形成磁性复合层；随后将铜线圈缝制在织物上层，最终完成整体磁化。研究团队在制备阶段使用未磁化的 NdFeB 颗粒，以减少颗粒之间因相互吸引造成的团聚问题，最终形成“铜线圈—间隔织物—NdFeB/Ecoflex”的三明治式结构。原文所列 CT 三维重构结果显示，NdFeB 颗粒能够分布在 Ecoflex 复合体系中。

图3  NEMIS 的制备过程、三层结构及 NdFeB/Ecoflex 复合材料三维结构表征

为什么要用台式场发射扫描电镜观察复合薄膜

对于 NdFeB/Ecoflex 复合磁性材料，磁性颗粒在柔性基体中的分布状态是理解材料结构的重要基础。研究团队采用飞纳电镜 Phenom Pharos G2 对样品微观形貌进行表征。论文 Figure 5a 展示了 NdFeB 含量分别为 20 wt.%、40 wt.%、60 wt.% 和 80 wt.% 时的复合薄膜扫描电镜图像，四组图像的比例尺均为 800 μm。

扫描电镜图像显示了什么

原文说明，扫描电镜图像中的白色区域对应 NdFeB 颗粒。随着 NdFeB 添加量由 20 wt.% 增加至 80 wt.%，视野中的磁性颗粒数量明显增加；研究结果同时显示，这些颗粒能够较均匀地分布在 Ecoflex 膜内部。

这一微观表征结果为确认 NdFeB/Ecoflex 复合薄膜的颗粒分布状态提供了直观依据，也为后续分析不同 NdFeB 含量对应的磁场强度及传感输出性能提供了结构层面的参考。

图4  飞纳电镜 Phenom Pharos G2 观察不同 NdFeB 含量的 NdFeB/Ecoflex 复合薄膜；白色区域对应 NdFeB 颗粒

材料组成和结构参数如何影响传感输出

完成结构设计后，研究团队进一步考察了线圈匝数、压缩量、线圈面积、NdFeB 含量及压缩频率等因素。原文显示，增加线圈匝数、增大压缩量和线圈面积均可增强输出信号；随着 NdFeB 含量提高，复合膜磁场强度增强，传感器输出电信号也随之提高；提高压缩频率则会增加磁通变化速率，从而获得更强的感应电动势。

循环稳定性测试中，传感器经过 50,000 次压缩循环后仍保持稳定的电信号输出。在原文所述的特定极限实验条件下，NEMIS 的最大输出电压达到 319 μV。

图5  不同结构及测试参数下 NEMIS 的电信号输出性能与循环稳定性测试

柔性磁电传感器验证了哪些应用场景

研究团队将 NEMIS 安装在汽车方向盘上，构建三通道握持检测系统。当驾驶员双手离开方向盘时，系统可以通过 Android 应用进行提醒。在 300 次随机按压测试中，三通道方向盘握持检测的分类准确率超过 92%。

论文还展示了 NEMIS 在汽车制动踏板压力采集、智能鞋垫、座椅坐垫与靠背以及人体关节运动监测等场景中的应用。研究结果显示，该传感器能够在这些不同应用条件下采集电信号，体现出多场景适配潜力。

图6  NEMIS 在方向盘握持检测、智能鞋垫、坐垫与靠背等场景中的应用示例

飞纳电镜 Phenom Pharos G2 在研究中承担什么任务

在这项研究中，飞纳电镜 Phenom Pharos G2 台式场发射扫描电镜用于观察 NdFeB/Ecoflex 复合材料的微观形貌。通过对 20 wt.%、40 wt.%、60 wt.% 和 80 wt.% 四种 NdFeB 含量样品进行 SEM 成像，研究人员能够直观比较磁性颗粒数量及其在 Ecoflex 柔性基体中的分布变化，为复合材料结构分析和后续器件性能研究提供微观表征依据。

常见问题

飞纳电镜 Phenom Pharos G2 在本研究中观察了什么？研究团队使用该台式场发射扫描电镜观察不同 NdFeB 含量的 NdFeB/Ecoflex 复合薄膜微观形貌，重点比较磁性颗粒数量及其在柔性基体中的分布状态。

扫描电镜图像中的白色区域是什么？根据原文说明，白色区域对应 NdFeB 颗粒。

研究比较了哪些 NdFeB 含量？论文 Figure 5a 比较了 20 wt.%、40 wt.%、60 wt.% 和 80 wt.% 四种含量，图像比例尺均为 800 μm。

资料来源

研究论文 DOI：10.1002/adfm.202522295