厦门大学：高熵合金纳米纤维打造温度免疫的柔性传感器

本文亮点

1.EHD制备：通过电流体动力学直写制备高熵合金纤维，并在纳米尺度上对其进行金属化处理，在聚合物纳米纤维内部形成均匀的高熵合金晶格。

2.温度免疫：具有较低的电阻温度系数(45.59 ppm K⁻¹)以及出色的循环稳定性(6000次循环)，能够在较宽的温度范围内实现可靠的应变测量。

3.精确稳定：应用于可穿戴的人体关节监测及机器人抓取，在复杂的热环境中具有极高的可靠性和精准的响应能力。

研究背景

温度稳定性对于柔性传感器的测量精度至关重要。然而，与刚性器件不同，柔性传感器尺寸小巧且制备于柔性基底之上，难以有效隔绝外界热干扰，导致其极易受环境温度波动的影响。主要表现为基线漂移、噪声放大和动态测量误差，已成为制约柔性传感器广泛部署的主要障碍。然而，常规研究往往侧重于异质材料的温度补偿策略，却忽视了多组分协同过程中因热响应不一致导致的长期有效性问题。因此，如何实现本征稳定的温度免疫特性，赋予柔性传感器在温度波动下的精准感知能力，是通往实用化道路上一个更具挑战性的课题。

内容简介

针对传统柔性传感器难以摆脱温度干扰、依赖异质材料复合补偿却面临长期稳定性不足的瓶颈，厦门大学郑高峰团队跳出“材料复合”的固有框架，提出了一种基于高熵合金本征温度免疫特性的设计新思路。通过借助电流体动力学直写技术，将高熵合金盐与聚合物共混纺丝，构建前驱体导电网络。再经退火金属化处理，在纳米纤维内部形成均匀的高熵合金晶格，协同实现了聚合物的可拉伸性与高熵合金低电阻温度系数的巧妙结合。该策略无需复杂的多层复合或异质补偿设计，仅通过高熵合金的本征材料特性，同步解决了温度干扰与长期稳定性两大核心瓶颈，为开发适应复杂热环境的下一代柔性传感提供了切实可行的设计路径。

图文导读

I电流体动力学直写与电纺共同制备

如图1所示，通过电纺直写与静电纺丝结合，实现高熵合金纳米纤维的沉积与柔性基底制备与集成。得益于高熵合金独特的严重晶格畸变与化学无序特性从物理本源上抑制了电阻的热致漂移。而电场诱导的纤维成型过程，则为多组元在纳米纤维中的均匀分布提供了保障，构筑出兼具优异柔韧性与稳定导电网络的复合结构。相关表征示意图在图2中展示。

图1. 温度免疫高熵合金应变传感器的制备原理及应用研究。

图2. 传感器制备工艺及微观形貌表征。

II本征热稳定性与灵敏度可调控的协同设计

得益于高熵合金多主元组分带来的严重晶格畸变效应与化学无序特性，有效抑制了电子-声子弹性散射，从物理本源上削弱了电阻对温度的敏感性，从而表现出显著低于单一主元纤维的电阻温度系数和优异的热稳定性。通过XRD与SAED分析证实了纤维内形成了多种面心立方物相，拉曼光谱中观察到的声子红移与宽化现象则进一步揭示了声子软化效应。实验结果表明，该高熵合金传感器的电阻温度系数(TCR)低至45.59 ppm/K，远优于单一主元纤维。在此基础上，通过电液动力学直写技术制造了具有回转结构的应变传感器，其几何参数(如转角半径、圈数)可通过有限元模拟进行优化设计，实现了对应变集中区域的调控，进而达到灵敏度系数的可控调节。这种材料本征稳定性与结构可设计性的协同，为宽温域下高精度应变检测奠定了坚实基础。

图3. 高熵合金纤维的晶体结构表征及低电阻温度系数特性。

III高熵合金传感器的综合性能

高熵合金应变传感器在宽温域(-10℃至70℃)及大应变(50%)范围内展现出卓越的稳定性与可靠性。如图4c所示，在0℃、20℃、40℃及60℃不同温度下进行的30%应变拉伸-回复测试中，电阻变化曲线高度重合，响应时间稳定在310 ms(上升沿)与350 ms(下降沿)，充分验证了其温度免疫特性。在6000次连续拉伸循环后(图4h)，传感器性能衰减高度可控，证实了材料优异的损伤容限与长期稳定性。传感器在复杂热环境与循环加载场景中展现出突出的应用潜力，为后续可穿戴监测与机器人抓取应用奠定了坚实基础。

图4. 高熵合金应变传感器和温度稳定性和应变性能。

IV穿戴监测与机械手抓取

图5展示了该柔性应变传感器在可穿戴监测与机器人抓取中的应用。在人体关节监测中，传感器紧密附着于手腕、手指等多处动态部位，实时响应关节弯曲引起的电阻变化，并在10℃与30℃温度波动下保持信号一致、无基线漂移。在图6的机器人手抓取测试中，传感器在10℃、30℃及50℃环境温度下重复抓取物体，信号重复性良好且误差极低；动态变温实验中，抓取与释放对应的电阻峰清晰稳定，无明显漂移。结果表明，该传感器在复杂热环境下具备优异的温度不敏感性与环境适应性，为多变热工况下的高精度应变监测提供了可靠技术支持。

图5. 应变传感器在可穿戴系统中的应用。

图6. 应变传感器在机械手应力检测系统的应用。

V总结

本研究基于电液动力学直写技术，研制出一种具有本征温度免疫特性的FeCoNiMnZn高熵合金柔性应变传感器。该传感器在50%应变下灵敏度因子达1.12，响应时间仅310 ms，经6000次循环拉伸无基线漂移，展现出优异的循环稳定性。得益于高熵合金固有的晶格畸变与声子软化效应，器件在-10℃至70℃宽温区内电阻温度系数低至45.59 ppm/K，确保了温度波动下的信号稳定性。其温度免疫特性与柔韧性使其在人体关节运动监测、可穿戴健康监测及机器人操控等多场景中实现可靠应变感知，彰显了在复杂条件下的适应性。

将高熵合金构建为热稳定导电骨架的策略，为突破传统复合材料补偿方法的局限提供了可行路径。此外，作为一种直写技术，该制备方法与喷墨打印、卷对卷制造等成熟工业工艺高度兼容，无需复杂转移步骤即可无缝集成于现有柔性电子产线，实现图案化电路制备。

综上，本研究不仅推动了本征稳定柔性传感器的发展，也为能在热动态环境中长期运行的下一代可穿戴电子与柔性传感系统奠定了坚实基础。

来源：纳微快报