背景介绍
近年来，柔性电子设备的快速发展引起了广泛关注，并在健康监测设备、医疗植入物、可穿戴电子设备、软执行器和柔性传感器等领域涌现出众多应用。传感器是现代电子设备的重要组成部分，在这些系统的集成中起着至关重要的作用。气流传感器可以准确检测环境气流的方向和速度，从而可以实时响应突然的变化。然而，大多数传统的气流传感器都是在刚性基板上开发的，缺乏现代应用所需的灵活性。尽管这些刚性传感器非常有效，但它们的制备工艺复杂、生产成本高，限制了它们与柔性电子系统的集成。为了解决这些限制，柔性气流传感器的研究逐渐兴起。柔性设备基底大致可分为两类：柔性聚合物基底和柔性织物基底。虽然聚合物基底具有可定制性和材料多样性，但它们佩戴在人体上时往往透气性差。相反，基于织物的设备具有出色的透气性，使其更适合可穿戴应用。然而目前的柔性织物基底也存在两大缺点：防火性差和制造工艺复杂。以他们作为基底制备的传感器通常涉及碳材料掺杂或气相沉积，导致制备周期长且成本高。并且由于织物的易燃性质，使织物基传感器很难应用到高温或明火环境中，以上难题限制了柔性织物基传感器在救援工程、防护装备等方面的实际应用。
成果简介
在这项工作中，我们首次使用激光直写技术（DLW）开发具有出色防火性能的柔性可穿戴、多功能气流传感器。Kevlar织物是一种以其机械韧性和防火性而闻名的芳纶纺织品，也被称为“装甲卫士”。对气流方向和流速敏感的双次加工垂直排列的激光诱导石墨烯（TVLIG）图案化阵列可以通过DLW技术在Kevlar织物上被高效而精确地制备出来。由此制备的柔性气流传感器能够准确检测二维和三维空间中的气流方向和速度。另外，Kevlar织物固有的耐火性和机械韧性使传感器能够承受尖锐物体的损坏和火焰的侵蚀，在耐火性方面超过了之前报道的大多数织物基传感器。本文所报道的柔性可穿戴气流传感器在明火条件下仍然能够正常监测气流情况，充分验证了其可在火场中实时监测气流对火灾动态影响的潜力，适用于消防救援等救援工程中。此外，凭借TVLIG 的多功能性质，基于Kevlar 的传感器平台可以从气流传感拓展至其他功能，例如开展针对受伤人员的葡萄糖浓度检测性将葡萄糖检测功能集成到气流传感器中，有效减轻了救援人员的负担，降低了救援设备的成本。总之，基于Kevlar 的传感器具有优异的机械韧性、耐火性和功能扩展性，以及DLW技术的简单性，为开发集成化救灾设备铺平了道路，凸显了柔性织物基气流传感器在柔性电子和救援工程等应用中的巨大潜力。
图文导读
图1 (a) 用于开发柔性多功能气流传感器的 TVLIG 织物制造工艺示意图。(b) 激光图案化 LIG 虎头照片。(c) 激光处理后的 TVLIG/Kevlar 织物横截面示意图。(d) 基于 TVLIG 的气流传感器示意图。(e) 基于Kevlar制备TVLIG 的原理示意图。
图2 (a) 集成在圆柱体周围的矩形 TVLIG 传感器的示意图。(b) 在三维平面上监测不同位置的气流。(c) 集成在平面的矩形 TVLIG 传感器阵列示意图。(d) 当气流方向朝向正方形的角落时检测不同位置的气流检测图。(e) 当气流方向朝向正方形的边缘时检测不同位置的气流检测图。
图3 (a-b) TVLIG/Kevlar作为气流传感器集成到防火服中。(c) 缝在衣服上的 TVLIG/Kevlar 葡萄糖检测套件实物图。(d) 明火情况时的气流传感器测试传感性能的实物图。(e-f) 不同温度条件下传感器的开关比。(g-i) 不同温度下的传感器传感不同气流速度的开关比表现。(j) 基于Kevlar织物的传感器在明火下的传感性能。(k-l) 气流传感器集成转化成葡萄糖检测套件的示意图。(m) TVLIG/Kevlar在不同葡萄糖浓度下的电流变化。(n) 在相同葡萄糖浓度循环刺激下对TVLIG/Kevlar进行循环测试。
作者简介
赵强，南京邮电大学教授、博士生导师、国家杰青，研究领域为有机电子学、柔性电子学，重点围绕高性能有机与柔性电子材料的结构设计、器件制备及其系统集成开展研究工作，取得了一系列国际上有重要影响的创新成果。到目前为止，作为通讯或第一作者在Nature Communications、Science Advances、Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials、AngewandteChemie International Edition等国内外知名期刊发表高质量论文200余篇。
刘淑娟，南京邮电大学教授、博士生导师，研究领域为有机光电子学，重点围绕有机小分子/高分子光电功能材料以及有机/无机杂化光功能材料的设计、合成及其在光电器件、生物医学等领域的应用开展了一系列研究工作。近年来在包括Nature Communications、Chemical Reviews、Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society、AngewandteChemie International Edition等在内的国际著名学术期刊发表100余篇高水平SCI论文。
王伟，南京邮电大学教师，硕士生导师。江苏省“双创博士”“科技副总”等人才称号获得者。长期从事激光精密加工、激光表面制备、智能柔性致动器与传感器、柔性电子等领域的相关研究，累计发表SCI论文40余篇，其中以第一作者在Advanced Functional Materials、Sensors & Actuators B: Chemical、ACS Applied Materials & Interfaces等重要学术期刊上发表学术论文。
文章信息
Wang W, Chen Z-Q, Li Y-Q, et al. Laser direct writing of flexible multifunctional airflow sensors on the Kevlar fabric. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907062.
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