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北京化工大學楊丹教授團隊 AFM：兼具高效熱管理和優異電磁干擾屏蔽性能的纖維素基可穿戴傳感器

2024-03-19 來源：高分子科技

可穿戴傳感技術因傳感范圍寬、響應/恢復時間快、與人體皮膚完美貼合等優點，在智慧醫療和智能機器人等多個領域受到廣泛關注。然而，多功能集成的可穿戴傳感器因其電子元器件容易產生熱量積累，具有較低的可靠性和較短的使用壽命。此外，可穿戴傳感器不可避免會產生電磁輻射，從而對人體健康造成不可逆的損害。因此，設計兼具高效熱傳導和優異電磁干擾屏蔽性能的可穿戴傳感器迫在眉睫。

纖維素納米纖維（CNFs）來源于豐富的天然生物質資源，因其重量輕、機械強度高、生物降解性好而被廣泛用于功能器件。北京化工大學楊丹教授團隊首先采用單寧酸和硅烷偶聯劑修飾石墨烯納米片（mGNPs），然后通過靜電自組裝及真空抽濾將其取向分散在CNFs中，進一步通過熱壓制備出石墨烯納米片密實層狀分布的復合材料（CNF/G）。所制備的纖維素基復合材料中，mGNPs沿CNFs取向分布并與其緊密連接，形成類似人類神經系統的結構，從而導致復合材料的面內導熱率高達136.2 W/(m·K)，電磁干擾屏蔽效率達到105 dB。同時該復合材料還具有出色的拉伸強度（39.88 MPa）和焦耳加熱溫度（141.1°C）。將所制備的纖維素基復合材料組裝成摩擦電效應傳感器，不僅可以實時監測人體運動，還可以幫助患者利用莫斯密碼與醫生進行遠程交流，從而建立醫患間人機交互系統。更為重要的是，該纖維素基傳感器具有優異的循環穩定性能，在未來柔性電子產品、智慧機器人、個性化醫療通信等領域將具有巨大的應用潛力。

圖1. CNF/G復合材料的制備路線圖及功能示意圖。

圖2.mGNPs的微觀結構和性能。

圖3. CNF/G復合材料的微觀結構和機械性能。

圖4. CNF/G復合材料的熱性能。

圖5. CNF/G復合材料的電磁屏蔽性能。

圖6. CNF/G復合材料基摩擦電傳感器的性能表征。

圖7.基于CNF/G復合材料摩擦電傳感器的人機交互系統。

相關工作以“Human Nervous System Inspired Modified Graphene Nanoplatelets/Cellulose Nanofibers-Based Wearable Sensors with Superior Thermal Management and Electromagnetic Interference Shielding”為題發表在Advanced Functional Materials（10.1002/adfm.202315851）上。論文第一作者為北京化工大學材料科學與工程學院碩士研究生朱子娟，通訊作者為北京化工大學楊丹教授。該論文得到了國家自然科學基金和中央高校基礎研究基金的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202315851

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（責任編輯：xu）

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