一、研究背景

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的出現(xiàn)引發(fā)了人們對多功能可穿戴電子設(shè)備的極大興趣。這些設(shè)備能夠?qū)崟r監(jiān)測各種物理刺激，包括壓力、應(yīng)變、溫度和濕度。它們在人體健康監(jiān)測、電子皮膚、智能熱療和人機(jī)交互方面的潛在應(yīng)用已經(jīng)引起了相當(dāng)大的關(guān)注。各種傳感技術(shù)已經(jīng)被用來成功地構(gòu)建基于電容型、壓阻型、壓電型、摩擦電型等的柔性應(yīng)變傳感器。其中，基于壓阻型的柔性應(yīng)變傳感器具有復(fù)雜的彈性能力，并且在傳統(tǒng)金屬或半導(dǎo)體傳感器可能無法到達(dá)的位置具有直接的生產(chǎn)方法。由于可穿戴式壓阻式傳感器能夠監(jiān)測和量化人體運動和活動產(chǎn)生的生理數(shù)據(jù)，因此對人身安全和健康具有重要影響。同時，值得注意的是，來自可穿戴設(shè)備的電磁干擾（EMI）對可穿戴電子設(shè)備和機(jī)器人系統(tǒng)的功能有重大影響，特別是那些包含非常敏感和精確組件的設(shè)備。因此，迫切需要開發(fā)和生產(chǎn)具有捕獲人體生理信息和屏蔽電磁輻射有害影響的多功能可穿戴材料。

多功能設(shè)備是高集成度、低功耗和柔性電子應(yīng)用擴(kuò)散的一種廣泛期待的策略。迄今為止，廣泛的研究工作已經(jīng)致力于導(dǎo)電材料與柔性基板的集成，以制造多功能，柔性傳感器。例如，Wang等人通過使用涂層和熱交聯(lián)技術(shù)在各種基材上澆鑄AgNWs和生物質(zhì)衍生的有機(jī)鹽混合導(dǎo)電水性油墨，創(chuàng)造了具有EMI屏蔽、焦耳加熱和應(yīng)變傳感的柔性多功能電子產(chǎn)品。Zong等人通過將AgNMs、Fe3O4納米顆粒和PDMS集成到商用織物中，創(chuàng)造了具有強(qiáng)EMI屏蔽和被動輻射加熱能力的可穿戴多功能設(shè)備。然而，在柔性基體中實現(xiàn)導(dǎo)電活性材料的均勻集成是一個重大挑戰(zhàn)。作為制備技術(shù)的一個組成部分，材料經(jīng)過碳化以產(chǎn)生具有可壓縮性和彈性的碳?xì)饽z。這些氣凝膠在導(dǎo)電性、實用性和穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。由于碳?xì)饽z具有可控的三維層次結(jié)構(gòu)、低密度、顯著的吸附能力和高孔隙率等優(yōu)點，因此在各種應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用。此外，由于其將外部應(yīng)變轉(zhuǎn)換為可識別的電信號的能力，它已被證明是創(chuàng)建高性能可穿戴傳感器的關(guān)鍵部件之一。因此，碳?xì)饽z的研究以其簡單的合成方法、可調(diào)節(jié)的微觀結(jié)構(gòu)和卓越的性能為特點，已成為一個突出的研究領(lǐng)域。

聚酰亞胺（PI）由于其優(yōu)異的耐熱性、優(yōu)異的機(jī)械性能和優(yōu)異的耐化學(xué)性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、國防、光電子等各個行業(yè)。將PI轉(zhuǎn)化為碳材料可以通過碳化過程來實現(xiàn)，這需要將PI置于高溫下。PI作為一種碳質(zhì)材料，具有產(chǎn)碳率高、炭化和石墨化過程簡單、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好等優(yōu)點。然而，這些碳材料面臨著一個具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，即很難構(gòu)建一個內(nèi)部連續(xù)的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可以線性響應(yīng)并用于可穿戴電子器件。

值得注意的是，通過靜電紡絲設(shè)備生產(chǎn)的納米纖維氣凝膠有幾個顯著的優(yōu)點，包括重量輕、納米結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)和可擴(kuò)展制造。此外，電紡納米纖維氣凝膠具有柔韌性、高孔隙率和透氣性，非常適合用于高性能可穿戴材料。本研究以聚酰亞胺為原料，通過簡單有效的碳化方法制備了基于碳納米纖維氣凝膠（PI-CNA）的多功能壓阻傳感器。研究了碳化溫度對PI納米纖維氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)、密度和電導(dǎo)率等性能的影響。研究了不同碳化溫度對材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能和電學(xué)特性的影響。PI-CNA材料在人體活動綜合監(jiān)測中的應(yīng)用性能評價既包括對跑步、跳躍、行走、關(guān)節(jié)運動等劇烈動作的檢測，也包括對脈搏、表情、呼吸、言語等細(xì)微身體活動的檢測。此外，還系統(tǒng)地研究了所制備的PI-CNA的電磁干擾屏蔽性能和焦耳加熱性能。因此，多功能PI-CNA材料在電子皮膚、智能熱療和人工智能領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿梢詾樾碌娜嵝?、可穿戴電子設(shè)備鋪平道路。

二、摘要

制造具有超低密度、高導(dǎo)電性和超彈性的碳?xì)饽z仍是一項巨大挑戰(zhàn)。本研究以電紡聚酰亞胺氣凝膠為原料，制備出可多功能應(yīng)用的柔性碳納米纖維氣凝膠（PI-CNA）。基于 PI-CNA 的輕型壓阻傳感器具有線性范圍寬（0-217 kPa）、響應(yīng)/恢復(fù)時間快、耐疲勞（12,000 次循環(huán)）等特點。更重要的是，出色的壓力傳感功能使 PI-CNA 能夠用于全范圍的醫(yī)療保健傳感，包括脈搏監(jiān)測、生理活動檢測、語音識別和步態(tài)識別。此外，PI-CNA 的 EMI SE 和 A 系數(shù)分別達(dá)到 45 dB 和 0.62，這表明由于多重反射和吸收，它具有出色的以吸收為主的 EMI 屏蔽效果。此外，在低電源電壓（1.5-5 V）條件下，PI-CNA 具有令人滿意的焦耳加熱性能（最高 120 °C）和快速響應(yīng)時間（10-30 秒），并且在長期反復(fù)加熱/冷卻循環(huán)中具有足夠的加熱可靠性和可重復(fù)性。所制造的 PI-CNA 在可穿戴技術(shù)、能量轉(zhuǎn)換、電子皮膚和人工智能領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

三、結(jié)論

總之，我們展示了一種輕型 PI-CNA，它具有全范圍醫(yī)療保健傳感、電磁干擾屏蔽以及通過濕氣誘導(dǎo)電紡和碳化實現(xiàn)焦耳加熱的多種功能?；?PI-CNA 的傳感器具有優(yōu)異的傳感性能、寬線性范圍（0-217 kPa）、快速響應(yīng)/恢復(fù)時間（230/120 ms）和高耐用性（12,000 次循環(huán)）。此外，為了確定 PI-CNA 傳感器在可穿戴應(yīng)用方面的能力，還進(jìn)行了全方位的身體活動監(jiān)測，如脈搏、關(guān)節(jié)彎曲、表情、呼吸、聲帶振動和步態(tài)識別。得益于特殊的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，PI-CNA 還表現(xiàn)出 45 dB 的優(yōu)異 EMI 屏蔽性能和 0.62 的高 A 值，這表明由于多重反射和內(nèi)部吸收效應(yīng)，它具有出色的吸收主導(dǎo)型 EMI 屏蔽機(jī)制。此外，PI-CNA 還具有出色的焦耳加熱能力，在 5 V 電源電壓下加熱溫度可達(dá) 120 °C，加熱和冷卻響應(yīng)迅速，工作穩(wěn)定性極佳。PI-CNA 可穿戴小工具因其多功能性，預(yù)計將在健康監(jiān)測、電磁保護(hù)和焦耳加熱處理領(lǐng)域提供顯著優(yōu)勢。

圖1.PI-CNA 的制備過程示意圖和多功能應(yīng)用。

圖2.PI-CNA在(a) 700°C, (b) 800°C, (C) 900°C和(d) 1000°C碳化的SEM圖像。(e) PINA光學(xué)照片。(f) PI-CNA氣凝膠的電導(dǎo)率。不同炭化溫度下PI-CNA氣凝膠的表征。(g) FTIR光譜；(h)拉曼光譜；(i) XRD圖譜；(j) XPS巡天光譜；(k) n1s的高分辨率XPS光譜

圖3.(a) PI-CNA 氣凝膠的電磁干擾屏蔽效果，(b) SET、SEA 和 SER 值，(c) PI-CNA 氣凝膠的功率系數(shù)，以及 (d) PI-CNA 氣凝膠的電磁干擾屏蔽機(jī)理圖解。