广西大学：仿生超疏水纤维素摩擦电材料用于高温传感

温度传感器作为人工智能技术与可穿戴设备的重要支撑，已广泛应用于智能制造、环境监测、医疗健康、智能交通与智慧家居等关键领域。传感器的稳定性是衡量其可靠性与实用性的关键指标，直接影响灵敏度、响应速度、工作寿命及极端环境适应能力，对于数据采集与连续监测至关重要。然而，温度传感器在现实场景中常面临多变外界条件的干扰，尤其是水汽、粉尘以及不良工况等条件，易引发传感材料的性能衰退，甚至导致传感功能失效。开发兼具高机械强度和防潮能力的材料是提升传感稳定性的关键，对于传感器在复杂和极端工况下的稳定运行能力具有重要意义。

【文章概述】

近日，聂双喜教授课题组受河豚骨刺的启发，提出一种将刚性金属骨架嵌入柔性纤维素网络的设计策略，构筑了一种兼顾强度和超疏水的多孔摩擦电材料。纤维素预先通过低表面能的硅烷处理，使得摩擦电材料的水接触角达154.2°。摩擦电材料的孔隙率为86.2%，同时杨氏模量达117 MPa，其机械鲁棒性超越了现有超疏水多孔摩擦电材料的相关报道。利用摩擦电材料组装的可穿戴温度传感器在极端湿度、强紫外辐射和强应力环境下输出稳定。结合无线传感技术与人工智能技术，传感器实现了远程可视化反馈，温度感知的准确率达98.4%。这项研究有利于解决超疏水多孔材料机械性能不足的显著挑战，并为构建环境鲁棒性可穿戴传感器开辟新的突破口。

【图文导读】

1．仿生纤维素摩擦电材料的设计

河豚的骨刺在形态上呈三角锥形或针状，是一种具备出色力学性能的外框防护结构。河豚在受到外界威胁时膨胀身体使骨刺外翻，形成密集的“防护层”，显著提升了其抗穿刺和抗撕裂性能。受此现象启发，这项工作在硅烷改性纤维素的网络中嵌入三角锥形堆叠结构的金属框架，开发了一种坚固的超疏水摩擦电材料。这种复合框架结构赋予材料优异的耐磨属性，即使经历数千次磨损材料仍保持优异的疏水能力。材料的疏水性能还经受住极端环境（极寒、辐射）的损耗，所构筑的传感器在极端湿度、紫外辐射和高应力冲击作用下输出稳定。

图1. 仿生纤维素摩擦电材料的概念与性能

2．纤维素摩擦电材料的多孔结构特征与性能

纤维素采用甲氧基三甲基硅烷改性处理，赋予纤维素疏水基团。随后利用溶剂辅助超声振动，驱动改性纤维素溶液进入并包裹金属框架，并利用冷冻干燥处理保留纤维网络结构。测试证实了多孔摩擦电材料的成功合成，并且材料的水接触角达到154.2°，液滴长时间附着在材料表面也并不会渗透，同时经过酸性与碱性溶液浸泡也依旧疏水，证明材料的疏水性能在长时间润湿下依旧保持稳定。

图2. 摩擦电材料的结构特征

3．摩擦电材料的机械结构增强机制

采用有限元模拟分析金属框架类三叉结构的应力分布，并发现应力主要集中在分叉口，表明材料的形变或断裂易发生在金属框架的交叉节点。通过使用橡胶磨轮在200 g载荷下经过4000次摩擦循环后材料仍可保持144°的静态水接触角。即使经过极端磨损测试（如汽车碾压和钢丝球摩擦）和150℃的高温度环境中，材料仍保持良好的疏水性能。机械性能测试结果证明，摩擦电材料的机械性能超越了现有多孔超疏水摩擦电材料的相关报道，甚至优于大多数超疏水多孔结构材料。

图3. 摩擦电材料的力学性能

4．环境鲁棒性传感器的性能评估

基于摩擦电材料的坚固且耐磨性能，将其与高得电子能力的聚全氟乙丙烯（FEP）配对构建摩擦纳米发电机。在一个工作周期内，摩擦纳米发电机的响应时间和恢复时间分别为64 ms和78 ms，证明摩擦纳米发电机具备快速响应的工作潜力。材料自身热电子发射现象为响应环境温度变化提供了有效途径。环境温度从25℃升温至200℃时，摩擦纳米发电机产生输出显著衰减，这表明该装置有望成为反馈温度变量的传感器。为了评估环境和工作条件对传感器的干扰，测试了湿度、紫外辐射、应力强度和频率对输出影响。测试结果表明，传感器有利于屏蔽环境因素的干扰，具备独特的温度响应能力。

图4. 摩擦电材料的温度响应能力

5．用于高温触觉感知的无线传感系统

温度传感器被分别集成在机械手的五个指尖上，形成一个用于识别未知物体的智能触觉系统。利用基于卷积神经网络的深度学习技术，可以从多通道的触摸信号中提取细微的差异和复杂的特征，从而提供识别准确率，深度学习使得传感器对温度的平均识别准确率达到98.4%。研究结果表明，疏水耐磨的摩擦电材料可以准确反馈触摸温度变化，并具有构建通用性触觉感知平台的潜在优势。

图5. 可穿戴智能传感器

【总结】

研究报道了一种坚固且超疏水的纤维素基摩擦电材料，并开发了一种环境自持的高温触觉传感器。摩擦电材料兼具优异的机械性能、耐磨性和疏水性能，即使承受-196℃和高压冲击场景下，摩擦电材料的疏水性能仍保持稳定。得益于摩擦电材料优异的机械鲁棒性，传感器在高湿度、高紫外辐射、高应力作用下传感信号稳定。结合无线传感技术与人工智能技术，成功集成开发了一种可穿戴触觉感知系统，并实现了温度信息的实时触摸反馈。这项研究为可穿戴传感器迈向现实应用提供理论参考，同时为新兴传感器的设计提供一种可借鉴的思路。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202518525

来源：能源学人