综述：金属-陶瓷-聚合物复合材料中的多传感技术：传感机制、协同效应及应用

《Materials Today Chemistry》：Multi sensing in metal-ceramic-polymer composites: Sensing mechanisms, synergistic effects, and applications

金属-陶瓷-聚合物多组分复合材料的物理化学多模态传感机制研究及其在复杂环境监测中的应用进展。通过界面电荷转移、应力转换和多种物理化学耦合机制，揭示材料协同效应提升传感性能的原理，并系统分析其在气体/液体检测、健康监测、人机交互和电磁屏蔽等领域的应用前景。

　　

彭美轩|吴琼|赵欣|张晓媛|孙正|苏志强

中国北京化工大学，化学资源工程国家重点实验室，先进功能聚合物复合材料北京重点实验室，北京，100029

摘要

金属-陶瓷-聚合物多组分复合材料在物理化学多模态传感领域具有独特的优势，这得益于其组分的可设计性和功能协同性。这些复合材料的多模态传感机制基于其独特的材料组合和界面相互作用，对外部刺激的响应通过不同的化学效应（如化学吸附、导电性变化、表面化学反应等）和物理效应（如压电效应、光电效应、电磁响应等）实现。在多模态传感过程中，金属、聚合物和陶瓷之间的相互作用产生了显著的协同效应，显著提升了材料的性能和灵敏度。这种协同效应不仅体现在物理性质的互补上，还包括不同传感机制的相互放大。本文系统回顾了该材料系统的构建策略、物理/化学多模态传感机制及其在复杂环境监测中的应用进展。此外，还总结了金属-陶瓷-聚合物多组分复合材料的应用领域，包括气体/液体传感、人类健康、人机交互和电磁屏蔽。

引言

随着科学技术的快速发展，传感器技术已广泛应用于环境监测[1]、[2]、[3]、医疗诊断[4]、工业控制[5]等多个领域。近年来，由于金属-陶瓷-聚合物复合材料优异的物理和化学性能[6]，它们受到了越来越多的关注。这些复合材料结合了金属的导电性、陶瓷的高温耐受性和聚合物的柔韧性，展现出良好的机械、热和电性能，使其在传感器应用中具有巨大潜力。

金属材料通常具有优异的导电性和热导率，非常适合需要高灵敏度和快速响应的传感器。相比之下，陶瓷材料因其优异的耐腐蚀性和热稳定性而适用于极端环境；而聚合物则因其可加工性和轻质特性而受到重视[7]、[8]、[9]。

然而，每种单一材料都有其局限性。金属在化学稳定性和生物相容性方面可能存在不足；聚合物在机械强度和热稳定性方面相对较弱；陶瓷则往往脆性较大且难以加工。为了克服这些局限性并整合不同材料的优势，人们开发了金属/聚合物/陶瓷复合材料。这类复合材料有机地结合了金属的导电和热性能、聚合物的分子识别和柔韧性以及陶瓷的稳定性和耐腐蚀性，为新型高性能传感器的开发提供了广阔的空间。

近年来，关于金属-聚合物-陶瓷复合材料传感的研究逐渐成为热点。通过精心设计复合材料的组成、结构和制备工艺，可以调节其物理化学性能，从而实现对各种物理量（如应力[10,11]、应变[12,13,14]、温度[15,16]、场等）和化学物质（如气体[17]、离子、生物分子等）的高灵敏度、高选择性和快速响应[18]、[19]、[20]的检测。深入研究这类材料的传感模式不仅有助于推动传感技术本身的发展，还会对相关跨学科领域产生深远影响，并为实际工程和科学研究中的传感挑战提供创新解决方案。

尽管已有大量综述总结了基于液态金属、导电聚合物或二元金属氧化物纳米结构的柔性电子技术的进展，但这些研究主要集中在二元系统的协同效应上。然而，在理解金属-陶瓷-聚合物（MCP）系统中的“三元协同效应”方面仍存在关键空白。与常常需要在机械柔顺性和环境稳定性之间做出权衡的二元系统不同，MCP复合材料利用第三相来解决这些冲突——利用陶瓷增强热/化学稳定性，同时不牺牲聚合物提供的柔韧性或金属的导电性。迄今为止，专门针对这类三元复合材料的结构设计和多模态实现机制的系统综述尚缺乏。

在本综述中，我们介绍了金属-陶瓷-聚合物界面处的电机械耦合效应——强调了在应力-化学场作用下导电网络、压电陶瓷和柔性聚合物之间的协同相互作用，并介绍了一种受生物矿化启发的分级组装方法以实现跨尺度有序排列。我们还详细介绍了双重化学-物理传感机制，并综述了其在气体/液体检测、医疗保健、人机接口和电磁屏蔽中的应用（图1）。

部分摘录

协同驱动的金属-陶瓷-聚合物复合材料：构建策略

高性能传感器的开发依赖于超越简单混合的高级构建策略。通过设计金属、陶瓷和聚合物相的架构，研究人员可以调控导电路径、机械支撑和活性传感位点的分布。

界面电荷转移协同效应

界面电荷转移协同效应的本质在于精确设计金属、陶瓷和聚合物之间的异质结，以促进电子的定向迁移。通过调节能带对齐或在界面处创建导电桥，复合材料系统可以在传感过程中显著放大电子响应——例如化学吸附或光电转换。核心设计理念是构建一个协同的界面，

化学-物理协同传感机制

传统传感范式通常将化学检测（如表面电荷转移）和物理检测（如由于变形引起的电阻变化）视为独立事件。然而，在先进的三元金属-陶瓷-聚合物复合材料中，这些领域是内在耦合的。这种协同效应的本质在于“化学-物理转换”，即化学事件（如分子吸附）会触发同时发生的、可测量的物理变化

气体/液体传感

金属/陶瓷/聚合物复合材料在气体/液体传感中的应用主要归功于其多组分协同效应和多尺度结构设计，为复杂液体环境中高灵敏度和选择性的检测提供了创新解决方案。聚合物基复合材料由于具有柔韧性、低成本和可调的电性能，常用于气体检测，尤其是在危险气体检测和环境监测方面。

结论与展望

本综述系统阐明了三元金属-陶瓷-聚合物界面处的电机械和光化学电耦合效应，将该领域的重点从经验性材料混合转向基于机制的理性设计。通过将协同效应分类为界面电荷转移、应力转换和多物理场耦合，我们阐明了如何通过设计导电网络、压电陶瓷和柔性聚合物来实现信号

CRediT作者贡献声明

彭美轩：撰写——综述与编辑、撰写——初稿、可视化、概念化。吴琼：撰写——初稿、资源准备。赵欣：可视化、资源准备。张晓媛：撰写——综述与编辑、撰写——初稿、指导、资金获取。孙正：撰写——初稿、资金获取。苏志强：撰写——综述与编辑、指导、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号：U23B20164）、北京市自然科学基金（编号：8234065）和中央高校基本科研业务费（编号：JD2519）的财政支持。