基于h-BN/PVA纳米复合材料的耐高温湿度传感器及其在物联网无线数据采集与莫尔斯码传输中的应用

本研究开发了一种基于六方氮化硼(h-BN)/聚乙烯醇(PVA)纳米复合材料的柔性电容式湿度传感器，具有高灵敏度(0.964 nF/%RH)、优异机械强度(2.7 MPa)和热稳定性(70°C)，成功应用于呼吸监测、物联网(IoT)无线传输及莫尔斯码通信，为新一代可穿戴智能传感技术提供创新解决方案。

　　

Highlight

通过超声剥离法制备的氧功能化六方氮化硼(h-BN)纳米片与聚乙烯醇(PVA)基质复合，构建了基于叉指电极设计的柔性电容式湿度传感器。该传感器在低湿度区间表现出超高灵敏度(0.964 nF/%RH)，具有快速响应/恢复特性、卓越机械韧性(拉伸强度2.7 MPa)和70°C热稳定性，成功应用于实时呼吸监测、近感探测、物联网(IoT)无线数据传输及莫尔斯码通信。

Chemicals and reagents

聚乙烯醇(PVA)和氮化硼(BN)分别购自Sigma-Aldrich（首尔，韩国）和Graphene Supermarket。用于制备金(Au)叉指电极(IDEs)的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底来自知名在线供应商，确保与高精度微加工技术的兼容性。

Preparation of PVA/h-BN composite

首先将PVA粉末与去离子水按1:10质量比混合制备PVA溶液，通过超声辅助剥离获得h-BN纳米片，并通过机械搅拌与旋涂工艺实现纳米复合材料在PET基底上的均匀成膜。

Characterizations

采用台式扫描电子显微镜(Phenom Pharos G2)获取h-BN/PVA纳米复合材料的俯视图像，通过能量色散X射线光谱(EDS)分析薄膜元素组成。利用Nicolet 6700光谱仪进行傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析，X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)分别表征晶体结构与表面化学状态。原子力显微镜(AFM)和透射电子显微镜(TEM)用于纳米级形貌观测。

Results

高分辨率成像技术揭示了h-BN/PVA纳米复合材料的形态特征。TEM图像（图2a,b）清晰展示了剥离态六方氮化硼纳米片(h-BNNSs)的超薄透明层状结构。AFM测得其厚度约为3.5 nm，对应5-10个原子层。SEM图像显示h-BN纳米片在PVA基质中均匀分散，形成多孔网络结构，极大增加了水分子吸附位点。XPS证实了B-N键（190.5 eV）和氧功能化基团的存在，FTIR光谱在1375 cm^-1处显示B-N伸缩振动峰，XRD衍射峰（26.7°）对应h-BN的(002)晶面。

Applications

该纳米复合材料在新一代传感应用中展现出多重潜力：如图7a所示，传感器通过口腔呼吸监测显示电容值随呼吸引发湿度变化而灵敏波动；近距离手指趋近实验（图7b）证明其非接触感知能力；莫尔斯码传输实验（图7c）成功将湿度信号转换为可解码电信号；物联网(IoT)集成实现了呼吸频率与湿度数据的实时无线采集与云端可视化（图7d）。

Discussion

h-BN/PVA纳米复合材料与金电极的结合实现了多环境下的高效湿度传感。h-BN凭借卓越机械强度、热稳定性和化学惰性成为理想传感材料，其纳米片与PVA的复合不仅提供巨大比表面积，更引入丰富亲水基团显著提升水分子吸附效率。分子动力学模拟表明B-N键的极化特性与库仑作用增强了聚合物界面分子相互作用，复合材料在70°C高温和机械弯曲条件下仍保持稳定输出，为可穿戴电子设备在极端环境下的应用提供技术保障。

Funding Information

场发射扫描电子显微镜(Phenom Pharos G2)由国立大学半导体设备扩展项目(2023)资助。本研究资金来源于韩国政府MSIT下属国家研究基金会(NRF)(编号RS-2024-00456141)、教育部资助的基础科学研究所项目(2022R1A6C101C732)以及蔚山RISE计划支持的"区域创新与教育系统"。

Competing Interests

所有作者声明不存在财务或非财务竞争利益

CRediT authorship contribution statement

Seung Goo Lee: 文稿审阅-编辑、资源协调、资金获取。 Woo Young Kim: 文稿审阅-编辑、研究监督、资源管理、调查验证、资金规划、数据策管。 Shahzad Iqbal: 文稿审阅-编辑、初稿撰写、验证实验、方法设计、形式分析、数据整理、概念化。 Shenawar Ali Khan: 初稿撰写、验证实施、软件开发、形式分析。 Mirza Mahmood Baig: 文稿审阅-编辑、软件支持、资源协调。 Muhammad Touqeer: 形式分析、数据整理。 Bibi Ruqia: 验证实验、数据整理。 Syed Adil Sardar: 方法设计、数据整理。 Wajid Ali: 验证实验、资源协调。

Declaration of Competing Interest

作者声明不存在可能影响本研究结果的已知竞争性财务利益或个人关系