北京林业大学蒲俊文教授团队：刚柔微结构协同增强的弹性木质纤维基传感器

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随着创新技术的快速发展，柔性压力传感器因其在实时在线医疗监测、便携式/可穿戴电子产品、智能机器人和人体运动跟踪等方面的巨大应用潜力而受到广泛关注，特别是柔性压阻传感器的快速增长同时伴随着对绿色、多功能和高性能材料的巨大需求。此外，由无线网络控制的复杂电路和微小的电子元件会产生对电子设备和人体健康有害的电磁辐射，传感设备的使用耐久性和稳定性等都是目前亟需解决的一大难题。因此，在确保其功能性的同时，克服可穿戴柔性材料存在的缺陷和问题仍然具有很大挑战性。

针对以上问题，蒲俊文教授团队受天然木材分层3D微观结构和多孔通道结构的启发，通过脱木素预处理得到可适用于功能纳米粒子组装的纤维素骨架（CS）。CS继承了天然木材多层级结构、可提供强力支撑并且可充当活性材料基质的特点。通过将CNT/MXene（CM）复合纳米片引入，使绝缘木纤维获得导电性和电磁屏蔽性。该团队近一步在CM/CS表面包覆聚二甲基硅氧烷 (PDMS)以增强材料力学性能和耐久性能。相较于常见的压缩强度仅有十几KPa的纤维基压阻传感材料，CMP/CS表现出较高的力学强度，其最大压缩应力可达1.53 MPa。同时， CMP/CS表面具有超强的疏水性能，可抵抗各种化学腐蚀和防机械损伤的能力。

图1. 弹性，多功能，木质复合材料的合成程序示意图。

研究发现，CMP/CS优异的力学性质关键之处在于PDMS和纤维素纤维之间软硬微结构的协同作用。具体而言，（1）在宏观尺度上，由高度排列的纤维素纤维组成的细胞壁有利于消散外部应力并产生较大的变形。（2）在微观尺度上，CMP/CS具有纤维素纤维和 PDMS 的“硬-软”协同特性，被“软”PDMS包裹的“硬”纤维素纤维强烈融合形成坚固的复合纳米纤维和稳定的交联纳米结构，这有利于提高CMP/CS的抗压缩性能。“硬-软”界面的分层组合赋予了 CMP/CS 复合材料优异的力学性能，这将有助于其在不同特种材料领域的实际应用。

图2. CS和CMP/CS复合材料的形态和结构表征。(a, b) CS的SEM图像:(a)截面图和(b)纤维生长方向图。(c, d) CMP/CS复合材料的SEM图像:(c)截面图和(d)纤维生长方向图。(e) CMP/CS横断面元素分布情况。 (f)纯MXene纳米片、CS和CMP/CS复合材料的XPS谱图。

此外，1D管状CNT在2D MXene纳米片之间可充当“导电桥”的作用，因此CMP/CS电导率可达9.8 S cm^-1, CM导电层使纤维素骨架具备了优异的导电性能。此外，具有互连通道的多孔 CMP/CS 复合材料可以看作是一个以吸收为主的 3D电磁波“捕获器”。CMP/CS 复合材料的高孔隙率导致阻抗失配降低，入射电磁微波很容易进入反射率较低的通道。入射电磁波沿着狭长的“陷阱”通道多次反射并衰减。不均匀的界面通道增加了 CMP/CS 复合材料内部的散射。因此，电磁能被沉积在 CS 上的 CM 复合纳米片逐渐吸收和消散。这使得微波在被吸收之前很难从多孔 CMP/CS 复合材料中逸出。因此，CMP/CS复合材料具有优异的电磁屏蔽性能（在X波段EMI SE可达28.4-29.3 dB）满足了商业应用的要求。

图3. CMP/CS复合材料组装成可穿戴应变传感器，实时监测各种运动。(a) 50%应变下传感器在不同频率下的相对信号变化。(b)传感器循环稳定性测试。(c)传感器灵敏检测。(d，e)不同应用场景下对运动行为的灵敏检测。

得益于高压缩、结构稳定性和优异导电性，CMP/CS可以作为适形可压缩传感器直接贴附在人体皮肤或关节上，检测人体剧烈运动或声音识别等微小生理活动。这种利用绿色和可再生的生物资源制备多功能压阻传感器，在便携式/可穿戴电子产品、智能机器人和人机交互界面等领域具有潜在应用前景。

该研究成果以“Lightweight and elastic wood-derived composites for pressure sensing and electromagnetic interference shielding”为题在线发表在《Composites Science and Technology》期刊上。论文第一作者是2020级博士研究生王振兴，蒲俊文教授为该工作的通讯作者，该工作得到《石墨烯材料应用于木材改性及特种纸加工技术的研究》项目的资助。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0266353821002876

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