转自柔性传感及器件
第一作者：Shenjie Zhong
通讯作者：Yunlei Zhou，Zhen Wen
通讯单位：西安电子科技大学，苏州大学
DOI: 10.1002/adma.202415386
背景介绍
柔性压力传感器能够检测响应机械压缩或外部刺激的信号变化，已广泛应用于医疗监测、人体运动检测、人机界面和可穿戴电子设备。尽管柔性压力传感器的前景很有希望，但传感器的温度波动会导致传感性能不稳定，这限制了它们在长期健康监测方面的发展。例如，当柔性压力传感器用于室外运动分析时，夏季大量的太阳热输入会导致传感器温度急剧升高。同时，传感器在冬季将面临低温，这将导致传感器性能下降。另一方面，用作机器人抓握感知关键部件的柔性压力传感器在处理冷热物体时会遇到极端温度条件。为了满足这些需求，非常需要开发一种被动等温传感器，无论环境条件如何，都能保持功能工作温度。
目前，各种类型的热界面材料，包括金属材料、低维碳材料和柔性相变材料，都与柔性传感器集成在一起用于散热。然而，每种方法都有其特定的局限性，例如相变材料中液体泄漏的风险或金属材料的笨重和刚性。相比之下，被动式日间辐射冷却（PDRC）通过有效反射太阳辐照度（0.3-2.5 µm）和通过大气窗口（8-13 µm）自发向外层空间辐射热量（3 K），提供了一种有前景的替代方案。将PDRC技术与可穿戴电子设备相结合，提供了一种有效的解决方案，可以防止传感器在强烈阳光下过热。然而，PDRC可能会导致在较低温度下过冷。非辐射因素，如隔热，对于实现平衡的热管理同样重要。使用具有隔热性能的材料可以减少高温下从周围环境到传感器的热传递，并在较冷的气候条件下最大限度地减少内部热损失。这提出了一种被动等温传感器的解决方案，该解决方案同时集成了辐射传输和非辐射散热，可在阳光直射和寒冷条件下在室外环境中稳定工作。
气凝胶因其高孔隙率和超低导热性而成为有吸引力的隔热材料。例如，通过利用陶瓷等无机材料的优异热稳定性，制备低密度和超低导热性的气凝胶，用于极端环境中的应用。然而，问题是要克服机械性能和热稳定性的兼容性。针对无机气凝胶固有的脆性和传统聚合物气凝胶的低热稳定性，凯夫拉纳米纤维气凝胶已被开发出来，利用其优异的超弹性通过压缩变形智能控制热传递，用于热开关应用。基于超木质化碳纳米管（SACNT）气凝胶，利用压缩变形诱导传热变化的原理，开发了一种具有非常高导热系数变化率（r≈43）的连续可调超宽范围热调节器。然而，上述气凝胶热调制仍然主要基于单一的隔热性能，需要较大的变形。
本文亮点
1. 本工作通过使用分级纤维素气凝胶（HCA）作为顶部摩擦层，提出了一种被动等温柔性传感器，使传感器能够通过辐射冷却和隔热来适应动态热环境。
2. 辐射冷却效应可以在夏季冷却传感器的温度，而HCA中的中空微纤维提供超低导热性，以减少冬季的内部热量损失。
3. 所制备的被动等温传感器能够在0-100°C的广泛温度范围内保持额定工作温度，证明其能够抓取冷热物体。
4. 在阳光直射下监测人体运动时，传统传感器的温度上升了12.3°C，而传感器仅上升了0.3°C。
图文解析
图1. 被动等温传感器适应动态热条件的结构和工作机理示意图。a） HCA具有很强的阳光反射率（0.3−2.5 µm）、高热辐射（8−13 µm）和超低导热性，确保传感器在动态热条件下保持温暖或辐射冷却。b） HCA制造示意图。通过XRM获得的HCA的3D重建，顶部紫色正方形的边长为250 µm。透射电子显微镜（TEM）图像揭示了HCA内的次级纳米结构。c） HCA的光学图像和显微视图揭示了其分层的微纤维结构，突出了其独特特性的复杂结构。SEM图像中的黄色实线表示纤维的外径，而虚线表示纤维的内径，代表纤维的中空结构。
图2. HCA的隔热评价及其机理。a） HCA的密度和导热系数。b） HCA的热和密度特性与其他研究中报告的特性的比较。c和d）HCA（厚度：5.0 mm）在c）冰和d）热板上的温度-时间曲线。e） HCA传热过程示意图。f） 在热板上放置60分钟后，HCA（厚度：5.0 mm）的红外热成像显示了其热调节性能。最后一张图片显示了60分钟时HCA的顶面温度。
图3. HCA的PDRC性能测量。a） HCA的太阳反射率（左图）和MIR发射（右图）光谱。HCA保持了高的阳光反射率和MIR发射率，这是高效辐射冷却所必需的。空气质量（AM）。b） 模拟纳米纤维在0.25-2.5 µm波长范围内的散射效率，纤维直径从100到400 nm不等。c） 模拟尺寸在3.0至8.0 µm范围内的中空微纤维在0.25-2.5 µm波长范围内的散射效率。d） 用于演示辐射冷却性能并提供测试地点气象信息的装置示意图和照片（中国杭州：东经120°12′，北纬30°16′）。e） 测试环境条件（太阳辐照度、风速和相对湿度）和亚环境冷却温度性能测试（2023年7月18日）。TB Cmax代表裸露皮肤和HCA之间的最大温差。f） HCA冷却工作机制示意图。g） 四分之一秒后，在阳光下拍摄覆盖有HCA、PDMS薄膜和尼龙织物的皮肤的光学和红外图像。
图4. HCA的机械性能。a） 轴向10%至60%应变的连续压应力-应变曲线，显示出可逆的压缩性和高压应力。显示可恢复压缩性的插图。b） 在40%的设定应变下进行循环压缩疲劳试验，表明轴向具有良好的可逆性和抗疲劳性。c） HCA在100次压缩循环中的最大应力和能量损失系数的演变。d） 沿径向方向，压缩应力-应变曲线为10%至60%应变。e） 沿径向在40%的设定应变下进行循环压缩疲劳试验。f） HCA的FE-SEM图像。g） 装卸过程中HCA的有限元分析（FEA）。
图5. 基于HCA的摩擦电传感器（H-TS），具有被动等温应用。a） 初始纤维素气凝胶（不含MTMS）和HCA的摩擦电输出比较。b） HCA在不同温度环境下的摩擦电输出性能。c） H-TS组成示意图。d）H-TS附着在皮肤上用于在冷热环境中感应的照片。参与者抓握不同物体（10、20和100 g）时电压随时间的变化。e） H-TS在不同压力下的摩擦电灵敏度。f） 在100°C的稳定温度下，H-TS和传统传感器基板材料的温度-时间曲线，插图是纤维素膜基传感器（C-TS）、H-TS和PDMS基传感器（P-TS）的光学照片，测试了其热兼容性能。g） H-TS在多次热循环（0-100°C）后的长期循环稳定性。h） 被动等温h-TS的光学和红外图像，以适应动态极端热条件。当带有H-TS传感器的手指握住装有冰水或沸水的杯子时，杯子和传感器之间的温差分别高达31.3或34.8°C。尽管有这些极端情况，H-TS的温度波动仍然很小，使其能够稳定运行。
图6. H-TS用于阳光直射下的人体运动监测。a） H-TS在夏季阳光下对人体健康和运动康复的解决方案和潜在应用。b） H-TS的响应和恢复时间。c）在1.8至523.1 kPa的各种负载压力下H-TS的输出Voc。d） 用于监测不同步态（步行、快走、跑步和跳跃）的传感器应用程序。e） H-TS的呼吸检测和莫尔斯码应用。f）H-TS的传感信号数据图和控制传感器，用于在阳光直射下从室内到室外进行连续监测。g） 照片显示了在30分钟的运动中，皮肤被H-TS和控制传感器覆盖后的炎症状态。H-TS和控制传感器之间的相应温差，两者都暴露在相同的阳光下，突显了H-TS的卓越热调节能力。
