氧化石墨烯/氧化铜复合涂层韩纸基可穿戴热疗器件的研发与多功能应用

本文创新性地采用丝网印刷技术将氧化石墨烯(GO)与氧化铜(CuO)复合涂层集成于传统韩纸(Hanji)基底，开发出兼具优异导电性(薄层电阻6.3 kΩ/sq)与焦耳加热性能(180秒升温至80°C)的柔性热疗器件。通过GO与10% CuO的协同作用构建稳定导电网络，解决了传统柔性加热器机械变形下热均匀性差的难题，并拓展其在除冰系统和可穿戴应变传感中的应用，为下一代智能热管理系统提供可持续解决方案。

　　

材料创新与设计原理
研究团队突破性地选用传统韩纸作为基底材料，这种由桑树纤维制成的特种纸张具有32-40 MPa的拉伸强度，是普通商业用纸(11-12 MPa)的3倍。通过扫描电镜(SEM)观察发现，韩纸纤维直径达3.5 μm，且含有1.49倍于普通纸的综纤维素(holocellulose)，其丰富的-OH基团通过氢键作用显著增强材料机械性能。研究采用丝网印刷工艺将GO与不同比例(0-15 wt%)CuO纳米颗粒复合墨水精准涂布于韩纸表面，400目丝网以60 mm/s速度印刷形成2×2 cm²的均匀功能层。

结构表征与性能优化
傅里叶变换红外光谱(FTIR)显示GO/(10%)CuO涂层在606 cm^-1和438 cm^-1处出现CuO特征峰，证实Cu²⁺与GO含氧官能团的配位作用。X射线衍射(XRD)图谱中35.2°(111)和48.6°(202)晶面衍射峰证实单斜相CuO的成功负载。能谱分析(EDX)显示10% CuO样品中铜元素含量达5.4%，形成致密导电网络，使薄层电阻从纯GO的288 kΩ/sq骤降至6.3 kΩ/sq。接触角测试表明涂层疏水性随CuO含量增加而提升，GO/(10%)CuO样品接触角达117.1°，这归因于CuO纳米颗粒构建的微纳分级结构。

热疗性能突破
在30V电压驱动下，器件表面温度呈线性上升，180秒内达80°C，升温速率显著优于已报道的橡胶基柔性加热器(68°C/20s)。连续30分钟工作温度波动<2%，100次循环测试后性能无衰减。弯曲实验中，在不同曲率半径(5-20 mm)下器件温差<3°C，证实其机械稳定性。独特的孔隙结构使器件具备0.45 kg/(m²·h)的透湿率，解决传统聚合物基底闷热问题。

多功能应用验证
在除冰测试中，10 mL冰块在30V电压下12分钟内完全融化，较未加热对照组提速2.3倍。作为应变传感器时，器件在0.5%应变下灵敏度系数(GF)达0.97，响应时间0.33-0.39秒，可精准监测手指弯曲、膝关节运动等生理活动。红外热成像显示器件贴附人体时能维持55-56°C治疗温度，且电阻变化与加热功能互不干扰，这得益于GO的高导热性(5300 W/(m·K))确保热量均匀扩散。

机制解析与优势比较
研究揭示了GO/CuO协同作用机制：CuO作为p型半导体，其空穴传导特性与GO的π电子体系形成互补导电通路。密度泛函理论计算表明CuO(110)面与GO基面的结合能达-2.3 eV，这种强相互作用抑制了纳米颗粒团聚。与商用ITO加热膜相比，该器件成本降低72%，且弯曲5000次后电阻变化率<5%，远优于ITO膜>300%的劣化率。韩纸基底的生物可降解性使器件在自然环境下6个月降解率达81%，符合绿色电子发展需求。

未来展望
当前研究为第二代器件开发奠定基础，通过调控GO还原度可进一步优化导电性。团队计划集成无线供电模块开发智能加热服装，并探索其在慢性疼痛治疗和运动医学监测中的应用潜力。这种"绿色制造"理念推动电子器件向可持续发展转型，为应对全球电子废弃物挑战提供新思路。