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  柔性溫度傳感器在人機(jī)交互、健康監(jiān)測等領(lǐng)域潛力巨大，但響應(yīng)速度慢、環(huán)境穩(wěn)定性差的問題限制了其應(yīng)用。為此，該工作以透氣的納米纖維為平臺(tái)，通過引入高導(dǎo)熱的定向氮化硼納米片（BNNS）和溫敏材料聚苯胺（PANI）/ 石墨烯（G），制備出響應(yīng)時(shí)間短、靈敏度高的溫度傳感器，同時(shí)具備優(yōu)異的穩(wěn)定性和人體熱管理能力，為提升溫度傳感器的實(shí)用性開辟了新路徑。

  近期，濟(jì)大王鵬博士、付秀麗教授/浙理工孟垂舟教授聯(lián)合在Advanced Functional Materials上發(fā)表了題為“A flexible temperature sensor with ultrafast response speed and high stability achieved by improving substrate thermal conductivity and radiative cooling”的研究成果。論文第一作者是河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院孫桂芬博士，該成果以靜電紡絲納米纖維為基底，通過引入定向 BNNS 提升熱傳導(dǎo)、添加 PANI/G 實(shí)現(xiàn)高靈敏度、覆蓋 TPU/SiO?納米纖維增強(qiáng)穩(wěn)定性，最終獲得了可用于人體長期監(jiān)測、呼吸監(jiān)測及電池測溫的柔性溫度傳感器。

  該柔性溫度傳感器以透氣的靜電紡絲納米纖維為核心平臺(tái)，從下到上分為四個(gè)部分：TPU/BNNS 納米纖維層（提升熱導(dǎo)率）、PVA / 石墨烯（G）叉指電極（連接敏感層）、PVA/G/PANI 線性敏感層（溫度感應(yīng)）、TPU/SiO?納米纖維層（保護(hù)與冷卻）（圖 1）。

圖1：傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析（a）結(jié)構(gòu)示意圖：傳感器從上到下分四層 —— 最上層 TPU/SiO₂納米纖維（輻射制冷、防干擾）、中間 PVA/G/PANI 敏感層（感知溫度）、PVA/G 叉指電極（傳導(dǎo)信號(hào)）、底層 TPU/BNNS 納米纖維（快速導(dǎo)熱）。（b）敏感層 SEM 圖：G（石墨烯）和 PANI（聚苯胺）是 “溫度感應(yīng)器”，溫度升高時(shí)，二者片層間距變大，電阻上升；PVA 則像 “膠水”，讓敏感層與基底牢牢貼合，不易斷裂。（c, d）透氣與熱導(dǎo)特性：納米纖維的多孔結(jié)構(gòu)讓透氣性超 600 mm/s，汗液能快速蒸發(fā)；BNNS（氮化硼納米片）沿平面排列，形成 “熱傳導(dǎo)高速路”。（d）熱導(dǎo)模擬：含 BNNS 的基底（熱導(dǎo)率 0.76 W m^-1 K^-1）比純 TPU（0.18 W m^-1 K^-1）導(dǎo)熱快 4 倍。（e）所制備納米纖維熱導(dǎo)率與常用材料熱導(dǎo)率的性能對(duì)比。（f）響應(yīng)時(shí)間對(duì)比：含 BNNS 的傳感器響應(yīng)僅 0.32 秒，是純 TPU 基底傳感器的 1/3。（g）所制備傳感器響應(yīng)速度與已報(bào)道工作的對(duì)比。（h）戶外冷卻效果：陽光下，傳感器表面溫度比環(huán)境低 4.5℃，而棉布溫度比環(huán)境高 5.8℃。（i）不同基底溫度傳感器在不同環(huán)境下的溫度測試對(duì)比。

圖2 基底熱導(dǎo)率與溫度傳感器響應(yīng)速度間關(guān)系的探究。（a）導(dǎo)熱機(jī)理圖。（b）熱導(dǎo)方向示意圖。（c）熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)：純 TPU 面內(nèi)熱導(dǎo)僅 0.70 W m^-1 K^-1，加入 40% BNNS 后升至 8.12 W m^-1 K^-1。（d）制備的納米纖維熱導(dǎo)率與已發(fā)表工作對(duì)比。（e, f）不同BNNS含量納米纖維膜的輻射制冷性能對(duì)比。（g）響應(yīng)時(shí)間與 BNNS 的關(guān)系：BNNS 含量從 0 到 40%，響應(yīng)時(shí)間從 1.2 秒降至 0.32 秒。（h, i）響應(yīng)時(shí)間與基底厚度的影響：15.5 μm 厚的基底熱導(dǎo)達(dá) 9.9 W m^-1 K^-1，256 μm 厚則降至 4.5 W m^-1 K^-1, 響應(yīng)時(shí)間隨納米纖維基底厚度的增加而增大。

圖3 輻射制冷性能測試。（a, b）冷卻測試裝置：用熱電偶和大氣溫度計(jì)，在戶外實(shí)測輻射制冷效果。（c）光譜性能：TPU/SiO?對(duì)太陽光反射率達(dá) 92%（少吸熱），對(duì)紅外光發(fā)射率達(dá) 96%（多散熱）。（d）皮膚溫度對(duì)比：陽光下 1 小時(shí)，棉布下皮膚平均 35.8℃，PI 膜下 25.5℃，傳感器下僅 23.8℃。（e）制備傳感器與PI膜的輻射制冷性能對(duì)比（f-g）穩(wěn)定性測試：商用傳感器在陽光下信號(hào)波動(dòng)大（信噪比波動(dòng)為 45.8%），而該傳感器波動(dòng)僅 12%。

圖4 傳感器的性能測試。（a）測試裝置圖。（b）靈敏度曲線：當(dāng) PANI 與 G 比例為 1:1 時(shí)，20-55℃區(qū)間靈敏度達(dá) 0.077℃?1（溫度每變 1℃，電阻變化 7.7%）。（c-d）穩(wěn)定性驗(yàn)證：10 次循環(huán)測試信號(hào)一致，連續(xù) 1500 秒監(jiān)測波動(dòng)小于 0.003。（e）循環(huán)穩(wěn)定性測試。（f）階梯測試。（g）疏水特性：143.5° 的接觸角。（h, i）濕度對(duì)傳感器性能的影響。（j）透氣性展示。（k）透氣對(duì)比：透氣性超 600 mm/s，和衣服相當(dāng)，遠(yuǎn)高于 PDMS 膜。（l）生物相容性：納米纖維基傳感器貼手臂10天無紅腫，而 PI 膜基溫度傳感器下皮膚紅腫。

圖5 傳感器的應(yīng)用（a）傳感器匹配的機(jī)電系統(tǒng)邏輯圖（b）傳感器應(yīng)用于呼吸監(jiān)測。（c）傳感器應(yīng)用于人體狀態(tài)監(jiān)測。（d）電池充放電過程的溫度監(jiān)測。

  綜上所述，該工作通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（定向 BNNS 熱導(dǎo)路徑）與材料設(shè)計(jì)（PANI/G 溫敏層、TPU/SiO₂冷卻層），成功制備出兼具超快速響應(yīng)、高靈敏度、強(qiáng)穩(wěn)定性的柔性溫度傳感器。其納米纖維結(jié)構(gòu)帶來的透氣、疏水特性，以及輻射制冷與熱管理能力，使其在可穿戴健康監(jiān)測、電子皮膚、工業(yè)測溫等領(lǐng)域極具應(yīng)用前景，為柔性溫度傳感器的性能突破提供了重要參考。

作者介紹

王鵬：濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教師，校聘青年英才崗，研究方向?yàn)槿嵝詡鞲衅鳎塾?jì)以第一作者/通訊作者發(fā)表論文38篇（包括20篇中科院一區(qū)Top期刊，2篇ESI前1%高被引文章），包括Advanced Functional Materials、Nano Micro Letters、InfoMat、Advanced Fiber Materials、Nano Energy、Chemical Engineering Journal、ACS Sensors等高水平期刊；累計(jì)撰寫、申請(qǐng)發(fā)明專利17項(xiàng)，其中6項(xiàng)已授權(quán)，其余均在實(shí)質(zhì)審查中；擔(dān)任Exploration期刊青年編委；中國微米納米學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員；受邀擔(dān)任國際SCI檢索期刊Advanced Functional Materials、Nano Micro Letters、Nano Energy、Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials & Interfaces等的審稿人；連續(xù)兩年獲得2021年、2022年博士研究生國家獎(jiǎng)學(xué)金，2022年獲得天津市創(chuàng)新獎(jiǎng)學(xué)金，2023年獲得河北省優(yōu)秀畢業(yè)生，2018年獲得天津市王克昌文化科技獎(jiǎng)學(xué)金，2024年獲得河北工業(yè)大學(xué)優(yōu)秀博士論文，2022年獲得河北工業(yè)大學(xué)學(xué)術(shù)之星，2022年獲得河北工業(yè)大學(xué)三好學(xué)生榮譽(yù)稱號(hào)，連續(xù)兩年獲得2021年、2022年河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院十佳學(xué)術(shù)之星榮譽(yù)稱號(hào)。個(gè)人主頁：

https://faculty.ujn.edu.cn/wangpeng1/zh_CN/index/149227/list.

付秀麗：濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，泰山產(chǎn)業(yè)藍(lán)色專項(xiàng)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍人才；兼任山東省工程師協(xié)會(huì)副會(huì)長、本科教育教學(xué)評(píng)估專家、國際工程教育認(rèn)證認(rèn)證專家。研究領(lǐng)域?yàn)楦咝阅苤圃臁⒏叨搜b備研發(fā)、醫(yī)工交叉等。主持國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目3項(xiàng)、省重大創(chuàng)新工程、省新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換重大項(xiàng)目、省基金重點(diǎn)項(xiàng)目等10余項(xiàng)。先后獲得省本科教學(xué)成果一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、山東省教育系統(tǒng)建功立業(yè)標(biāo)兵、山東省優(yōu)秀研究生導(dǎo)師、濟(jì)南大學(xué)最美教師等稱號(hào)。

孟垂舟：浙江理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院特聘教授，博士生導(dǎo)師。國家海外高層次人才引進(jìn)計(jì)劃青年特聘專家、河北省海外高層次青年人才、河北省僑聯(lián)僑界專家委員會(huì)委員。清華大學(xué)物理學(xué)學(xué)士、博士學(xué)位，曾任職美國普渡大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系博士后研究員、美國IBM半導(dǎo)體研發(fā)中心高級(jí)工程師、新奧集團(tuán)能源研究院石墨烯/儲(chǔ)能/能源新材料等技術(shù)中心主任。長期從事新型納米材料和高分子彈性體的制備研究，以及其在能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)、生物醫(yī)學(xué)傳感、柔性電子皮膚、可穿戴健康設(shè)備、和健康護(hù)理裝備上的應(yīng)用開發(fā)。

  原文信息

  Guifen Sun, Dongying Wang, Peng Wang*, Ying Meng, Xiuli Fu*, Hongmei Yan and Chuizhou Meng*. A flexible temperature sensor with ultrafast response speed and high stability achieved by improving substrate thermal conductivity and radiative cooling. Advanced Functional Materials, 2025.    https://doi.org/10.1002/adfm.202512296