摩擦电传感器可以测量和识别材料之间的电荷交换，同时具有高效传感、原位感知和实时反馈的应用优势。摩擦电传感器为木质智能材料在可穿戴电子设备、智能建筑、生物医学和其他相关领域的应用提供了广泛的潜力。
（1）尽管木材具有潜力，但其在实际应用中作为智能材料的稳定性存在限制，尤其是在高压和高温环境下，这些条件可能会加速材料结构的崩溃，导致传感能力和机械强度下降。
（2）天然木材的细胞壁较薄，导致其机械强度相对较低，同时木材中高空气含量导致其防火性能较差。
（3）通过物理浸渍将含卤素的阻燃剂引入木材孔隙中，但其环境行为和生物毒性还需要进一步研究。因此，迫切需要开发考虑多方面性能的改性策略，以实现木材在智能性、高强度和防火性方面的协同改性。
基于此，广西大学聂双喜教授和覃程荣教授等人报道了一种高强度、稳定的木材基摩擦电材料，这种材料通过协同双相机制增强了木材的摩擦电性能。原位生长的阻燃剂和致密炭层的形成，显著提高了木材基摩擦电材料的防火性能，将热释放率（HRR）降低了95.4%，总热释放（THR）降低了94.2%。
（1）作者通过原位生长的磷酸铵（APP）和热压密化技术，实现了木材在气相和凝聚相的协同阻燃效果，显著增强了木材基摩擦电材料的热阻。
（2）所开发的木材基摩擦电材料具有出色的机械性能和抗冲击性，其冲击韧性达到126 kJ/m²，远高于天然木材。该材料即使在高温（如250 °C）下也能保持出色的能量收集效率，且在不同湿度条件下（从40% RH到99% RH）传感器的输出信号保持相对稳定。
（3）通过设计3×3传感器阵列，展示了基于Hp-A-CNT木材的自供能传感器在智能家居应用中的潜力，包括识别不同图形、人体运动轨迹，并且能够无线传输运动感应数据，如步行、跑步和跳跃。该自供能传感器展现出优异的传感性能，响应和恢复时间仅为72 ms和63 ms，低于人眼可感知的延迟时间（100 ms），使其成为实际应用的理想选择。
通过去木质化和热压密化技术，作者制备了高性能的Hp-A-CNT木材基摩擦电材料。该材料具有出色的机械强度和防火性能，厚度减少60%，能在1.64吨压力和1200 °C高温下保持结构完整。Hp-A-CNT木材可制成自供电传感器，用于智能家居和能量收集，具有广泛的应用前景。
图1.木质摩擦电材料的结构与设计策略
图2.木基摩擦电材料的结构演变
在酒精灯和丁烷火炬火焰测试中，Hp-A-CNT木材能抵抗点燃并维持结构完整。Hp-A-CNT木材还具有出色的隔热性，能在1.64吨压力下保持完整。其抗拉强度和冲击韧性显著高于天然木材，冲击能量吸收能力是天然木材的170倍，使其成为家具制造和建筑领域的潜在材料。
图3.木基摩擦电材料的热稳定性和机械性能
作者设计了一种垂直接触分离模式的自供能传感器，其响应和恢复时间仅为72 ms和63 ms，低于人眼可感知的延迟时间，适用于实际应用。材料的卓越热稳定性使其在不同温度下保持高能量收集效率，甚至在250 °C高温下仍能产生90 V的开路电压。经过15000次耐久性测试后，传感器仍能保持稳定的电输出性能。在40%至99%的RH范围内，传感器输出信号保持稳定。每次运动周期平均转移电荷约为60nC，最大瞬时功率密度可达0.2瓦特/平方米。
图4.木质摩擦电材料的摩擦电输出性能
这种3×3传感器阵列能识别不同区域的摩擦电信号，区分人的移动方式和位置。Hp-A-CNT木材传感器还能检测人体姿势，区分站立和跌倒。收集的信息能无线传输到移动终端，实时监测步行、跑步和跳跃。自供能传感器响应时间短，可精确识别人体运动状态和轨迹，推动智能家居、能量收集等领域的发展。
图5.基于Hp-A-CNT木材的自供电传感器的应用
Strong and Stable Woody Triboelectric Materials Enabled by Biphase Blocking. Nano Lett., 2024, https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02802.
聂双喜，广西大学轻工与食品工程学院教授、博士生导师。主要从事纤维素功能材料的应用基础研究，开创并引领了纤维素摩擦电材料领域的发展，为我国造纸行业可持续发展提供了有力的科学支撑。
其他详见：http://www.polymer.cn/ss/nieshuangxi/index.html.
覃程荣，广西大学教授，现任轻工与食品工程学院院长。长期从事清洁化制浆造纸与污染控制应用基础与工程应用研究。更多信息详见：https://gxulif.gxu.edu.cn/info/1205/3972.htm.
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