柔性能夠感知人體和環境的物理、化學和生物資訊，在學術界和工業界引起了廣泛的關注。其中，柔性溫度感測器尤為重要，因為它們能夠複製來自多種來源的熱感，包括人體、環境和電子裝置，這對於活動監測、環境感知和事故預警等應用具有極大的潛力，並可有效用於電子皮膚，人機互動，以及災害預防系統。然而，由於構建具有高靈敏度的本徵柔性監測器件的過程較為複雜，柔性溫度感測器的工作範圍和靈敏度仍有待進一步提升。作為過渡金屬氧化物的一員，NiO因其高的電阻溫度係數（TCR）和卓越的溫度檢測效能而被認為是理想的熱敏半導體。因此，設計製備高靈敏NiO基柔性材料和器件對於開發具有高變形能力和感測效能的柔性溫度感測器至關重要。
鑑於此，河南大學柔性電子學院和河南省柔性電子產業技術研究院黃維院士、張洪健副教授和中國科學技術大學朱紀欣教授利用一種簡便的原位合成/分解方法，製備出了作為溫度感應元件的柔性纖維狀NiO/碳奈米管纖維（CNTF）複合材料，並使用有限元分析系統地研究了NiO/CNTF柔性溫度感測器在各種應用條件下的機械和熱傳輸行為。此外，該工作還系統地研究了與人體相關熱訊號的接觸和非接觸溫度感測應用。最後，基於感測器構建了溫度監控和預警系統，並應用於儲能電池和智慧手機的溫度監測，以防止由電池熱失控或電子裝置的異常充放電過程引起的火災事故發生。相關成果以“Robust fiber-shaped flexible temperature sensors for safety monitoring with ultrahigh sensitivity”為題，發表在《Advanced Materials》。
【NiO/CNTF柔性溫度感測器的製備】
圖1. 材料合成策略、微觀結構以及柔性溫度感測器示意圖
採用原位合成/分解法，在CNTF表面均勻負載NiO奈米片陣列，得到柔性NiO/CNTF纖維狀複合材料。以NiO/CNTF為溫度感測單元，PET為柔性基材，Ag為電極，PDMS為封裝材料，成功製備了NiO/CNTF柔性溫度感測器。
【NiO/CNTF柔性溫度感測器的效能】
圖2. 柔性溫度感測器的電學和溫度感應特性
該研究工作中製備的柔性溫度感測器具有可設計性強、尺寸多樣化的特點，能夠靈活應用於多種便攜性穿戴和植入場景，並且展現出靈敏度高和工作溫域寬的特性。透過擬合相對於室溫的歸一化電阻，計算出柔性溫度感測器在−15–25 °C和在25–60 °C溫度範圍內的TCR分別為−9.1% °C−1和−2.1% °C−1，其中最大TCR可以達到−20.2% °C−1，在−15–60 °C的溫度範圍內柔性溫度感測器的熱敏電阻常數B值為 3332 K。此外，感測器對高溫和低溫分別具有良好的開關響應特性。
【NiO/CNTF柔性溫度感測器的熱傳導特性】
圖3. 柔性溫度感測器的有限元分析模擬
為了評估NiO/CNTF柔性溫度感測器的機械和熱行為，採用有限元分析模擬對多物理場耦合下感測器的結構力學和熱傳導進行了模擬。研究表明，該研究工作中製備的感測器，溫度感測元件位於電極區域，能夠有效避免形變過程中產生的應力集中效應，有利於提高感測器的穩定性和耐用性。此外，對不同熱源型別和不同傳輸途徑下系統的熱傳輸行為做了模擬和研究，並對比了固體-固體和環境-固體兩種模式處於高溫和低溫環境的熱傳導速率。此外，由於PDMS具有成分可調的優點，高導熱新增劑可以與PDMS前驅體混合，增強封裝材料的導熱效能，提升溫度感測響應速度。
【NiO/CNTF柔性溫度感測器在溫度監測中的應用】
圖4. 柔性溫度感測器監測人體熱訊號
NiO/CNTF柔性溫度感測器表現出優異的靈敏度、靈活性和可調尺寸，在具有溫度感測功能的電子皮膚或人機互動裝置中具有巨大的應用潛力。NiO/CNTF柔性溫度感測器能夠應用於測量接觸式人體熱訊號，如手指觸控產生的溫度變化；還可以應用於呼吸等人體熱訊號的非接觸檢測，滿足不同生理狀態呼吸行為監測等多種應用場景需求，並驗證了其比商用NTC熱敏電阻具有更優異的訊號強度和響應速度。
【NiO/CNTF柔性溫度感測器在安全監測系統中的應用】
圖5. 柔性溫度感測器在溫度監測和預警系統中的應用
基於NiO/CNTF柔性溫度感測器，研究者還開發了具有高低溫報警功能的溫度監測預警系統。在溫度監測預警系統中，可以透過預先設定的高溫和低溫閾值，對監測的正常、過冷和過熱溫度進行警報指示。以鋰離子電池為例，NiO/CNTF柔性溫度感測器可以貼附在電池表面實時監測電池溫度。當電池發生熱失控時，溫度監測系統可以及時檢驗到電池過熱現象並報警。此外，感測器還可以貼附在智慧手機表面，對手機充電時的溫度變化進行同步監測，防止充放電過程溫度異常引起的電子裝置損壞和火災等風險。
【小結】
該研究工作採用原位合成/分解法制備了NiO/CNTF柔性纖維狀複合材料，以此製備的NiO/CNTF柔性溫度感測器具有寬工作溫域（−15-60 °C）和高靈敏度（最大TCR為−20.2% °C−1，B值為3332 K）。透過有限元分析系統研究了感測器在變形和熱傳導過程中的機械和熱學行為，展示了在不同感測情況下良好的變形性和級聯熱傳導模式。NiO/CNTF柔性溫度感測器可用於人體相關熱訊號的接觸式和非接觸式檢測，此外，基於該感測器設計了溫度監測預警系統，應用於鋰離子電池和智慧手機實時溫度監測，實現電子裝置異常熱失控預警，降低潛在的火災事故發生風險。
來源：高分子科學前沿
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