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北京化工大学杨丹教授AFM：自愈式水性聚氨酯基可穿戴传感器完成超卓的热办理和电磁搅扰屏蔽功用

来源：TVT体育平台发布时间：2025-08-10 21:24:10

跟着无线技能加快速度进行开展，柔性可穿戴传感器在实时健康监测、人机交互和智能医疗范畴获得明显开展。但是，设备微型化和多功用化导致电子元件内部热量堆积、电磁辐射及结构损伤损坏问题日渐凸显，不只搅扰设备正常运用，更危及人体健康。因而，开发兼具高导热性（TC）和电磁屏蔽效能（EMI SE）的自愈型聚合物复合资料，成为保证可穿戴传感器可靠性的要害应战。

北京化工大学杨丹教授团队经过聚多巴胺/聚乙烯亚胺共交联改性石墨烯纳米片（XP/G）与水性聚氨酯（WPU）的层层自拼装技能，结合真空过滤和热压工艺，成功制备出自愈型复合资料（WXPG）。该资料展现出113.6 W/(m·K)的超高导热率、67 dB的杰出电磁屏蔽效能及90%的自愈功率。根据冲突纳米发电机（TENG）原理，团队进一步开宣布可实时监测步态和跌倒的智能鞋垫，为长时刻可穿戴电子设备供给了改造解决方案。

研讨团队创始“三明治”结构设计（图1a）：首先在石墨烯外表沉积带正电的聚多巴胺/聚乙烯亚胺（P@GNPs），再经过静电吸附负载带负电的羧基丁腈橡胶（XNBR）构成XP/G单元。该单元与水性聚氨酯（WPU）经过氢键、配位键和静电作用紧密结合，经热压后构成类珍珠母贝的细密层状结构（图1b）。改性后的XP/G在水中可安稳涣散48小时之后（图2a），拉曼光谱与X射线衍射证明其缺点削减且层距离扩展至0.337 nm（图2b,g），有用按捺了石墨烯堆叠问题。

图1. WXPG复合资料的制备流程与功用暗示图 a) 组成途径暗示图 b) 可穿戴柔性传感器功用图示（含自愈/热办理/电磁屏蔽/步态监测）

图2. XP/G的微观结构与功用 a) GNPs与XP/G水溶液静置48小时涣散状况 b) 拉曼光谱比照 c) 傅里叶变换红外光谱比照 d) XPS全谱及C 1s窄谱 e) SEM图画与C/O/N元素面分布图 f) 热重剖析曲线 g) X射线衍射图谱 h) 水介质中Zeta电位

资料力学功用冷艳——仅0.4 mm厚的WXPG₅复合资料可承载1 kg分量（图3c-i），折叠后无裂纹（图3c-ii）。XP/G含量达28%时，拉伸强度高达66.7 MPa，是纯WPU的3倍（图3e）。更有必要留意一下的是其自愈才能：120°C加热1小时后，外表划痕彻底消失（图3d），力学功用康复率达90%以上（图3e）。该特性源于WPU链的热驱动搬迁及氢键/配位键的动态重建，为可穿戴设备长时刻执役奠定根底。

WXPG₂₈复合资料创下113.6 W/(m·K)的面内导热纪录（图4a），较纯WPU提高57倍，远超大都已报导聚合物基资料（图4d）。其电磁屏蔽效能相同耀眼：100 μm厚度下屏蔽效能达67 dB（图5b），比效能值高达675 dB/mm（图5d），相当于仅需1.5 mm厚度即可屏蔽99%电磁波。机制研讨标明（图5e），层状结构经过屡次反射和吸收衰减电磁波，吸收奉献占比超60%（图5f）。资料受损后，两项功用仍可康复至原值的90%。

图4. 热导功用表征 a) 面内与面外热导率随XP/G含量改变 b) 热传导机制暗示图 c) 实测值与理论模型猜测比照 d) 与已报导热办理资料功用比照 e) 原始/自愈后热导率比照 f) 不同电压下外表温升曲线 g) 升温/降温温度-时刻曲线 h) 红外热成像图（WPU膜/WXPG28/PI膜）

图5. 电磁屏蔽功用 a) 电导率随含量改变 b) EMI屏蔽效能曲线 c) 不同厚度下的屏蔽效能 d) 比屏蔽效能比照 e) 屏蔽机制暗示图 f) 总屏蔽效能/吸收损耗/反射损耗 g) 原始/自愈后屏蔽效能 h) 无线充电体系屏蔽作用测验

团队将WXPG₂₈制成冲突纳米发电机电极（图6a），其压力灵敏度达7.693%/kPa（图6b），呼应时刻仅95毫秒。根据此开发的智能鞋垫（图7a）在鞋掌/鞋跟安置双传感器，精准捕捉步态四阶段：脚跟触地→脚尖触地→脚跟离地→脚尖离地（图7b-c）。试验显现，该体系可区别慢走、快走、上下楼、跳动等动作（图7d-e），并在跌倒时触发反常电流峰完成紧迫报警（图7f）。结合卷积神经网络算法，步态辨认准确率达100%（图7h）。