高灵敏度的压阻式生物质衍生碳气凝胶/聚二甲基硅氧烷复合材料，具备极强的温度适应能力

《ENERGY & ENVIRONMENTAL MATERIALS》：High-Sensitivity Piezoresistive Biomass-Derived Carbon Aerogel/Polydimethylsiloxane Composite with Extreme Temperature Adaptability

生物质碳气凝胶与聚二甲基硅氧烷复合柔性压敏传感器开发及其性能优化。通过冷冻模板法制备了具有有序三维层状结构的生物质碳气凝胶，并与PDMS复合形成CC/PDMS材料。实验表明，该材料在30%应变下经100,000次循环后保持>90%的形状恢复率，且在-30°C至100°C温度范围内表现出稳定的电阻响应和缩短的响应时间，灵敏度达102.78 mA/50%应变，有效区分静态与动态信号。微观结构分析揭示了CC/PDMS界面结合增强导电网络和机械性能的机制。

　　这项研究聚焦于开发一种新型的柔性压阻传感材料，其通过将生物质衍生碳气凝胶（CC）与聚二甲基硅氧烷（PDMS）相结合，展现出优异的性能。随着技术的迅速发展，智能可穿戴设备在多个前沿领域展现出广阔的应用前景，例如医疗健康监测、智能人机协作以及仿生机器人感知等。这类设备需要材料不仅具备良好的电子性能，还需具备足够的机械柔韧性、透气性和舒适性，以适应人体复杂的变形和环境变化。然而，传统功能材料如单晶硅和碳化硅陶瓷在满足这些需求方面存在显著挑战，主要表现为机械韧性不足、断裂应变限制低，且在循环载荷下容易发生疲劳失效。这些材料在受到反复的机械作用时，内部微裂纹的扩展会进一步导致其机械性能的退化。

为突破传统材料的性能瓶颈，研究人员将目光投向了具有高强和柔韧特性的碳气凝胶复合材料。这类材料因其独特的孔隙结构和优异的机械性能，成为能源存储、传感器和航天器等领域的关键材料。碳气凝胶复合材料的多维优化能力源于其孔隙结构的调控，包括分层孔道设计、界面协同效应以及功能导向的调控策略。这些特性使其在复杂应力环境下表现出良好的稳定性和耐用性，同时保持优异的电导率和机械柔韧性，使其成为智能可穿戴设备中极具潜力的多功能材料。

近年来，生物质碳气凝胶及其复合材料的研究取得了显著进展。通过使用木质素、纤维素和壳聚糖等生物质前驱体，研究人员通过碳化和掺杂工艺成功合成了性能优越的碳气凝胶材料。这些材料的制备技术、微结构控制和性能优化得到了广泛研究。通过合理的结构设计和制备方法，可以合成具有有序微结构和优异机械性能的碳气凝胶，来源于木材、纤维素或其他生物质材料。其中，“自下而上”的定向冷冻策略被证明是一种有效的制造方法，能够制备出具有理想弹性和轻量特性的碳气凝胶。

然而，一些基于生物质的传感器仍存在响应速度较慢的问题。为了应对这一挑战，研究人员开发了一种基于生物质碳纳米球的压阻柔性压力传感器，该传感器在压缩应变下表现出快速的响应特性，响应时间仅为43毫秒，恢复时间仅为23毫秒。尽管如此，该传感器的循环稳定性和耐久性仍有待提高，仅能承受4000次压缩循环，远低于其他类似材料。此外，经过多次循环后，其表面的导电层会出现一定程度的损伤，并伴随电流信号的轻微漂移，这可能会影响其在长期可穿戴应用中的监测可靠性。

为解决传统传感器在循环载荷下的性能退化问题，研究者开始关注以碳气凝胶为基体、PDMS为聚合物的复合材料。PDMS具有较低的模量，赋予其基体复合材料出色的弹性和疲劳抗性。PDMS的粘弹性特性与填充网络的协同作用，形成了一种刚柔并济的复合结构。这种结构能够在动态变形过程中有效缓冲应力，同时保持功能性网络（如导电或热传导路径）的连续性，从而确保其在复杂循环载荷下的可靠性能。本文提出了一种基于生物质的碳气凝胶与PDMS复合的新型压阻传感材料，该材料在压缩应变下表现出优异的响应特性，具备广泛的应用前景。

为了实现这一目标，研究者采用冰模板法，以生物质胶原蛋白为原料，制备出具有高度有序结构的碳气凝胶。胶原蛋白基碳气凝胶（CC）呈现出清晰的分层结构。在碳化并复合PDMS后，这种材料表现出良好的三维有序层状结构以及CC与PDMS之间的良好界面相互作用，赋予其出色的共变形能力。这种结构能够有效减少压缩过程中局部应力集中所导致的结构损伤。在30%的压缩率下，经过100,000次循环后，该材料仍能保持超过90%的形状恢复率，永久变形小于3.8%。此外，该材料还展现出优异的压阻性能。在从-30°C到100°C的宽温度范围内，CC/PDMS复合材料不仅表现出良好的压阻灵敏度，而且在极端温度条件下（如-30°C、0°C、25°C、50°C和100°C）仍能保持稳定的压阻特性。例如，在25°C下，CC-4的平均电阻为58.35Ω，响应时间为约5.89±0.18秒；在50°C下，其平均电阻降低至44.78Ω，响应时间增加至约7.98±0.20秒；而在100°C下，其平均电阻进一步降至39.45Ω，响应时间约为7.82±0.24秒。这些数据表明，CC/PDMS复合材料在广泛的温度范围内仍能保持优良的压阻性能。

该材料在动态变形过程中表现出显著的电阻变化特性，其响应速度和恢复能力均优于传统材料。在循环压缩载荷下，其电阻能够迅速变化，响应时间在不同温度条件下保持稳定。例如，在-30°C时，其响应时间约为24.15±0.35秒；在0°C时为26.12±0.21秒；在25°C时为5.89±0.18秒；在50°C时为7.98±0.20秒；而在100°C时则为7.82±0.24秒。这些结果表明，CC/PDMS复合材料在极端温度条件下依然能够保持良好的压阻响应能力。此外，材料的循环稳定性在不同温度范围内均表现出色，经过200次温度循环后，其压阻性能几乎未发生明显变化，这表明其在恶劣环境下具有良好的应用潜力。

该材料的优异性能源于其独特的结构设计和界面调控。CC/PDMS复合材料通过其多孔结构和高比表面积，在压缩变形过程中，内部孔隙会收缩，导致原本分散的导电粒子之间距离缩短，从而增强导电性并降低电阻。这种结构变化使得材料能够实现有效的电阻调控。同时，PDMS的粘弹性特性与碳骨架的刚性支撑相结合，形成了一个协同作用的结构体系，不仅提升了材料的机械性能，还增强了其在复杂变形下的压阻响应能力。这种协同效应确保了材料在动态载荷下的结构稳定性和功能性持续性。

通过COMSOL仿真分析，进一步验证了该材料的压阻机制。仿真结果显示，当CC/PDMS复合材料受到外部压力时，其内部晶格结构会发生畸变，从而影响载流子的迁移路径和浓度，导致电阻的动态变化。例如，在初始压力为150kPa时，材料的电阻值为90Ω；当压力增加至350kPa时，电阻值下降至15Ω。这种非线性的电阻变化与实验数据高度吻合，表明压阻机制在该材料中具有良好的适用性和准确性。此外，仿真还揭示了材料在不同压力下的线性响应范围，为后续设计高灵敏度压阻传感器提供了理论依据。

从实验结果来看，CC/PDMS复合材料在多种应用场景中展现出广阔的发展前景。其不仅能够用于实时监测人体生理信号，还能有效区分细微的声信号变化，实现声音的可视化检测。同时，该材料在极端温度条件下的表现也十分优异，显示出其在智能可穿戴设备、医疗健康监测系统以及工业应用场景中的巨大潜力。此外，该材料的高循环稳定性使其在长期使用中能够保持良好的性能，为智能人机协作和仿生机器人感知提供了可靠的材料基础。

为了进一步优化CC/PDMS复合材料的压阻性能，研究者还对材料的化学组成、结构特性以及界面相互作用进行了系统分析。通过X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）等手段，研究人员确认了CC/PDMS复合材料中各元素的分布情况以及PDMS与碳骨架之间的相互作用。例如，XPS分析显示，材料中存在碳（C）、氮（N）、氧（O）、磷（P）和硫（S）等多种元素，这些元素的分布有助于形成稳定的导电网络。FT-IR分析则揭示了PDMS与胶原蛋白碳气凝胶之间的氢键相互作用，这种相互作用有助于提升材料的机械性能和压阻响应能力。

综上所述，这项研究成功开发了一种具有优异弹性、压阻性能和温度适应性的新型CC/PDMS复合材料。其通过精确调控碳含量，实现了对材料性能的系统优化。材料在极端温度条件下的表现证明了其在恶劣环境中的应用潜力，而其出色的循环稳定性则表明其适用于长期监测和复杂变形场景。这项研究不仅为智能可穿戴设备提供了新的材料选择，还为未来的柔性传感器开发奠定了坚实的理论和实验基础。通过深入探索生物质碳气凝胶与PDMS的协同作用，研究者为推动可持续、高性能柔性传感器的发展提供了创新性的解决方案。