柔性壓力傳感器在人工智能、健康監測和電子皮膚等領域需求激增，但傳統生物質碳氣凝膠面臨重大挑戰：碳化過程中的體積收縮嚴重損害彈性與抗疲勞性，導電性不足限制靈敏度提升。雖然已有研究通過添加導電納米材料（如MXene、碳納米管）改善性能，但如何同時實現超高抗疲勞性、寬線性傳感范圍、低壓檢測極限等綜合性能，仍是未解難題。

受植物葉脈網絡和建筑支柱啟發，華南理工大學李擘副研究員團隊開發出具有“脈狀網絡-柱狀增強波浪層結構”的碳氣凝膠（CGP-C-1）。該材料突破性地整合了五大優勢：1）超凡耐久性：5萬次50%應變壓縮后應力保持率96.7%，高度保持率99.1%；2）超高靈敏度：在0-100Pa低壓區靈敏度達59.70 kPa?1，100-15kPa區間保持16.76 kPa?1；3）寬線性范圍：0-15kPa內響應線性度（R2=0.995）；4）極限探測能力：可檢測0.186Pa微壓（相當于6μL水滴）；5）極端應變恢復：99%應變下仍具備77%高度恢復能力。相關論文以“Superelastic Biomass-Based Carbon Aerogels Reinforced by Vein-Like Networks and Pillar Structures for Piezoresistive Sensing, High-Temperature Applications, and Supercapacitors”為題，發表在Advanced Functional Materials上。

創新制備工藝與結構

團隊通過定向冷凍與高溫碳化協同策略構建核心結構：纖維素納米纖絲（CNF）形成骨架防止氧化石墨烯（GO）堆疊；堿處理聚酰亞胺納米纖維（N-PINF）經熱化學鍵合形成層內葉脈狀網絡，同時作為層間支柱。碳化后，三種組分（CNF、GO、N-PINF）差異熱降解形成波浪層，賦予氣凝膠超輕（密度≈8mg/cm3）、可壓縮、可彎曲特性。掃描電鏡清晰顯示層間支柱連接（圖1e-f）與層內脈狀網絡（圖1c），為卓越機械性能奠定基礎。

圖1. CGP-C-1的制備流程 a) CGP-C-1制造工藝示意圖 b) CNF、N-PINF與GO之間的相互作用 c) CGP-C-1層表面形貌 d) 軸向視圖 e-f) 徑向視圖的SEM圖像 g) 超輕特性實物圖 h) 高壓縮回彈性演示 i) 可彎曲性演示

結構驗證與機械性能

X射線衍射證實N-PINF加入提升石墨化程度（石墨峰強度提高）；熱重分析顯示800℃下重量保持率80.79%，遠優于純CNF（15.41%）。壓縮測試中，普通生物質碳氣凝膠（CNF-C）500次循環后結構破損，而CGP-C-1因“脈狀網絡-支柱”的應力分散機制（有限元模擬顯示應力集中于支柱與網絡節點），500次循環后應力保持率99.98%。優化組分比例后（CNF/GO/N-PINF=4:1:2），材料可承受99%極端應變（圖3f）。

圖2. 碳氣凝膠的形貌與結構表征 a) CG-A、CGP-A-1、CG-C和CGP-C-1的XRD圖譜 b,c) CNF、N-PINF、CG-A、CG+N-PI、CGP-A-1和CGP-C-1的TGA與DTG曲線 d) CNF-C的無序多孔結構 e) CGP-C-1的徑向SEM圖像 f) 軸向SEM圖像 g) CGP-C-1層表面的"脈狀互連纖維網絡" h) CGP-C-1仿生結構的演化機制

圖3. 碳氣凝膠的機械性能 a-c) CNF-C、CG-C和CGP-C-1在50%應變下500次壓縮循環的應力-應變曲線 d) 50%應變500次循環后的高度/應力保持率（柱狀圖）及變化趨勢（折線圖） e) 脈狀網絡-柱狀增強波浪層結構的應力分布有限元分析 f) 波浪層結構的應力分布 g,h) CGP-C-0和CGP-C-2在50%應變下500次循環的應力-應變曲線 i) CGP-C-1壓縮機制示意圖

20,000次壓縮驗證耐久性

在長達2萬次50%應變循環測試中，CGP-C-1創下生物質碳氣凝膠抗疲勞紀錄：應力保持率96.7%，高度損失僅0.9%。掃描電鏡證實循環后層狀結構完好（圖4g），無坍塌跡象。該性能超越已報道同類材料（圖4c-d），為可穿戴設備長期使用提供保障。

圖4. CGP-C-1的壓縮性能 a) 50%應變下20,000次壓縮循環的應力-應變曲線 b) 最大應力保持率、能量損耗系數及高度縮減率 c,d) 與其他生物質碳氣凝膠的高度/應力保持率對比 e) 0-90%應變下的應力-應變曲線 f) 99%應變下50次循環的應力-應變曲線 g) 20,000次循環前后的SEM圖像

傳感性能領跑領域

基于CGP-C-1的壓阻傳感器展現出72ms響應/96ms恢復速度，在0-15kPa壓力下電流線性增長（圖5c）。其靈敏度（59.70 kPa?1@0-100Pa）顯著優于多數生物質基材料（圖5g），甚至可識別0.186Pa水滴滴落（圖5h）。萬次壓縮循環后電流信號穩定，滿足高精度運動監測需求。

圖5. CGP-C-1的傳感性能測試 a) 壓力-電流響應與恢復時間 b) 不同應變下的電流響應 c) 不同壓力下的線性電流響應 d) 50%應變下10,000次循環的電流響應 e,f) 100–15,000 Pa與0–100 Pa工作區間的線性靈敏度 g) 與其他生物質碳氣凝膠材料的靈敏度對比 h) 微壓作用下的電流響應

可穿戴應用演示

實際測試中，傳感器精準捕獲人體活動：手腕屈伸、肘膝彎曲角度（0°-90°電流梯度變化）、行走/奔跑節奏差異（圖6f），以及皺眉（圖6e）、吞咽（圖6h）等微動作。貼附肱動脈時，成功解析脈搏波形（P1入射波、P2收縮波、P3舒張波），心率監測誤差≤1次/分鐘（圖6j）。

圖6. CGP-C-1的可穿戴性能測試 不同運動產生的電流信號： a) 手腕屈伸 b) 肘部45°/90°彎曲 c) 膝部彎曲 d) 不同角度手指彎曲 e) 皺眉動作 f) 行走與奔跑 g) 呼吸與急促喘息 h) 吞咽動作 i) 手指觸碰 j) 手臂動脈搏動

航天級隔熱與阻燃

在50℃加熱測試中，CGP-C-1溫升（30.2→32.5℃）低于商用聚苯乙烯泡沫板（32.1→36.3℃）。120-300℃高溫下結構穩定，而泡沫板120℃即軟化變形（圖7e）。直面800℃火焰60秒不燃，僅接觸面輕微收縮（圖7f）。其超低熱導率（0.03478W·m?1·K?1）源于四重機制：波浪層多重熱障、支柱抑制對流、輻射散射及脈狀網絡延緩熱傳導（圖7g）。

圖7. CGP-C-1的隔熱與阻燃測試 a) CGP-C-1與EPB在50℃加熱板0-30分鐘的紅外熱成像 b) 溫度隨時間變化可視化 c) 厚度實物圖對比（CGP-C-1 vs EPB） d) EPB在120℃下的軟化變形 e) CGP-C-1的60秒燃燒測試過程 f) 傳熱機制示意圖 g) 工作狀態下的散熱性能紅外熱成像

廢棄傳感器“變廢為寶”

退役傳感材料可直接轉為超級電容器電極。在三電極系統中展現241.1 F·g?1比電容，兩電極系統仍達179.4 F·g?1（1A·g?1），能量密度22.56 Wh·kg?1（圖8j）。10,000次循環后電容保持率95.4%，實現“傳感-儲能”一體化再生應用。

圖8. 三電極系統中CGP-C-1的超級電容性能 a) 三電極系統示意圖 b) 不同掃描速率的CV曲線 c) 不同電流密度的GCD曲線 d) 不同電流密度下的比電容/面電容 e) EIS阻抗譜及局部放大圖 f) 10A·g?1電流密度下10,000次循環的庫倫效率/電容保持率 g) 超級電容器5–200mV·s?1的CV曲線 h) 0.5–10A·g?1的GCD曲線 i) 不同電流密度下的比電容 j) 不同功率密度下的能量密度 k) 能量/功率密度對比 l) 5A·g?1電流密度下10,000次循環的庫倫效率/電容保持率

產業化前景廣闊

該材料突破“一材多用”壁壘：卓越傳感性能滿足健康監測與航天服傳感器需求（如月球/火星充氣艙）；隔熱阻燃特性適配高溫環境；廢棄元件轉為超級電容器，助力自供電可穿戴設備。團隊正推進規模化制備，推動這種“源于自然、歸于可持續”的多功能材料走向應用。

來源：高分子科學前沿

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