综述：耐极端温度柔性应力传感器：材料策略、性能挑战与未来方向

本综述系统探讨了耐极端温度（-196°C至800°C）柔性应力传感器的最新进展，聚焦聚酰亚胺（PI）、芳纶纳米纤维（ANFs）、水凝胶、离子凝胶、陶瓷/无机杂化材料和嵌段共聚物六大材料体系。通过分子工程、多级结构设计和功能集成策略，这些材料在极端热环境下仍保持机械柔性、导电稳定性和传感可靠性，为航空航天、智能医疗和工业监测等高风险场景提供了突破性解决方案。

　　

引言

柔性应力传感器因具备优异的机械顺应性、轻量化和曲面贴合能力，在可穿戴电子、智能医疗和软体机器人领域引发广泛关注。然而在极端温度环境（通常高于100°C或低于-20°C）下，传统柔性材料如聚二甲基硅氧烷（PDMS）和热塑性聚氨酯（TPU）会出现导电性衰减、机械性能退化及结构失效等问题。近年来，通过分子工程、网络结构设计和复合材料集成等策略，研究人员开发出多种耐极端温度的柔性传感材料，显著提升了在热氧化、基质软化、低温脆化等恶劣条件下的可靠性。

聚酰亚胺：热稳定高性能聚合物

聚酰亚胺（PI）以其卓越的热稳定性（耐受400°C以上高温）、化学抗性和机械强度成为高温柔性电子器件的理想基底材料。其芳香酰亚胺主链结构在低温环境下也不易脆化变形。最新研究通过构建多级孔隙结构和复合界面进一步提升其灵敏度和热韧性。例如蜘蛛网状PI/碳纳米管（CNT）复合气凝胶在-100°C至190°C范围内表现出高线性度和10 Pa的超低检测限。基于“拮抗溶解策略”开发的三维互联多孔聚酰亚胺膜（ip-PI）与壳聚糖微球模式层组成的摩擦电纳米发电机（AI-TENG），在250°C高温下仍保持稳定电压输出，且经历10,000次循环后未出现性能衰减。

芳纶纳米纤维：热稳定纳米结构柔性传感平台

芳纶纳米纤维（ANFs）衍生自聚对苯二甲酰对苯二胺，具备一维纳米结构、高长径比和丰富的氢键网络，表现出卓越的机械强度、阻燃性及耐酸碱特性。通过与碳纳米管、MXene、聚吡咯（PPy）等导电材料复合，ANFs可构建兼具热绝缘性和机械韧性的混合气凝胶纤维传感器。Huang等人开发的ANF/CNT/PPy气凝胶纤维在-196°C至100°C范围内展现稳定的压阻性能，导电性达6.43 S/m，在液氮和高温加热环境下仍保持结构完整。He团队将ANFs与Ti₃C₂T_x MXene、银纳米线复合，制成自供电火灾预警电子纺织品，在100–400°C区间呈现线性电压-温度响应，报警响应时间短于2秒。

水凝胶：面向极端温度传感的软质离子导电平台

传统水凝胶因高含水量在低温下易发生冻结脆化，高温下易脱水失效。通过引入有机溶剂、强化氢键及设计动态离子网络，新一代抗冻抗脱水水凝胶大幅拓展了其温度适应范围。Lu团队基于磺基甜菜碱和硫酸氢根的双离子导体网络水凝胶，在-80°C仍保持柔性，电导率高达396 mS/cm。He等利用丙烯酰胺（AAm）、[2-（甲基丙烯酰氧）乙基]二甲基-(3-磺丙基)（DMAPS）与海藻酸钠（SA）共聚，结合甘油-水混合溶剂调控冰点，使水凝胶在-70°C仍可工作，断裂伸长率超过5,300%。Han等人设计的P(AM-co-SBMA)/明胶（PASG）/NaCl/甘油抗冻水凝胶，通过共价交联与多重非共价相互作用，在-20°C下仍具备优良的机械韧性和离子电导率，经历700次拉伸-压缩循环后未出现信号衰减。

针对高温环境，Chen等开发聚苯胺（PANI）掺杂的聚（丙烯酰胺-共-丙烯酸）（P(AAm-co-AAc)）有机-无机杂化水凝胶，引入甘油作为保湿剂，在60°C高温下电导率保持在0.15 S·m^-1，并在168小时循环拉伸中表现出微小信号漂移。

离子凝胶：具有极端热稳定性的离子导电网络

离子凝胶由聚合物网络与离子液体构成，具备无溶剂、热稳定和宽温域导电的特点。Wang团队开发的生物离子凝胶基于两性离子网络，在-80°C至100°C范围内保持柔性及离子迁移稳定性。Yang等通过[2-（甲基丙烯酰氧）乙基]二甲基-(3-磺丙基)（DMAPS）与丙烯酸（AA）在低共熔溶剂（DES）中的一步光聚合，制备出自修复型两性离子低共熔凝胶。该材料在-80°C至100°C间维持高离子电导率，真空储存30天质量损失可忽略，基于其的TENG在-80°C环境下仍输出0.12 μA电流。

陶瓷与无机杂化材料：高温传感基质

陶瓷及无机杂化材料凭借高热稳定性、优异介电/压电特性与化学惰性，为高温传感提供理想平台，但其本征脆性限制了柔性应用。通过纳米纤维结构设计、陶瓷-聚合物复合及界面优化，新一代柔性陶瓷传感器实现从深冷至高温的宽范围稳定工作。Xiao等人将ZrO₂-SiO₂纳米纤维膜（ZSNFM）、SiO₂纳米纤维垫（SNFM）与硅溶胶复合，构建出柔性陶瓷气凝胶压力传感器（FCAPS），在800°C高温和-196°C液氮环境下仍保持可靠的电容响应，灵敏度约0.25 kPa^-1。该传感器阵列与神经网络分类器集成，在消防手套中实现五种救援工具96.67%的识别准确率。

嵌段共聚物：可调控热韧性的纳米相结构化聚合物

嵌段共聚物与弹性体网络（如SEBS、聚氨酯、有机硅橡胶）通过纳米相分离结构与可变形链段组合，实现机械弹性与热稳定性的统一。Gu团队开发了改性硅橡胶/功能化碳纳米管（MSR/FCNT）复合薄膜传感器，其嵌套多孔结构在-80°C至200°C超宽温域内保持稳定响应，PDMS链段的低玻璃化转变温度（T_g = -127°C）保障了低温下的柔韧性。该传感器在100°C高温和10 MPa压力下仍呈现可靠电流响应。

结论与展望

耐极端温度柔性应力传感器在航空航天、工业检测和可穿戴医疗等领域展现出巨大潜力。六大材料体系通过多级结构设计、动态界面工程和功能集成，实现了从深冷至高温（-196°C至800°C）的可靠传感。未来研究需聚焦热-机械-化学多场耦合下的长期可靠性、多功能集成与系统级智能响应，结合机器学习和能量采集技术推动新一代自适应柔性电子发展。