近年來，可穿戴傳感技術因其易獲取性、功能性和經濟性而得到了迅速發展。然而，電子元件中的熱量積聚和電磁干擾會對傳感性能產生不利影響，并嚴重損害人類健康。為此，本研究采用纖維素納米纖維（CNFs）作為模板，并通過簡單的靜電自組裝方法涂覆由單寧酸非共價和3-氨基丙基三乙氧基硅烷共價共修飾的石墨烯納米片（記為mGNPs），制備了具有高熱導率（ TC）和優異電磁干擾（EMI）屏蔽性能的CNFs基復合材料。隨后的熱壓工藝使mGNPs在CNFs基復合材料中形成有序且層狀的分布，mGNPs沿取向方向分布并與CNFs緊密接觸，這種結構類似于人類神經系統。所得到的CNFs基復合材料展現出136.2 W/(m·K)的高熱導率和105 dB的優越 EMI屏蔽效能。因此，這些復合材料被用作基于摩擦電效應的可穿戴傳感器，以實時監測人類健康，并通過摩爾斯電碼表達情感。總之，所提出的策略為延長柔性可穿戴傳感器的使用壽命和確保其安全使用提供了一條途徑，在未來的醫療保健和智能機器人領域具有廣闊的應用前景。
.png)
圖1. CNF/G復合材料的制備與功能示意圖
a) CNF/G復合材料的制備流程
b) 作為可穿戴傳感器的CNF/G復合材料，具有熱管理、電磁屏蔽（EMI）、健康監測和焦耳加熱等優異性能
術語解析與技術說明
1、CNF/G復合材料
CNF = 纖維素納米纖維（Cellulose Nanofiber），源于天然纖維素的高強度納米材料
G = 改性石墨烯（Modified Graphene），此處特指經單寧酸/硅烷修飾的石墨烯納米片（mGNPs）
復合材料：指通過靜電自組裝將mGNPs包覆在CNF模板上形成的多級結構材料（與前文研究對應）
2、制備流程 (a)
對應原文"fabrication process"，指圖1a應展示：
CNF分散 → mGNPs靜電自組裝包覆 → 熱壓成型（形成類神經網絡的層狀有序結構）
3、四大核心功能 (b)
|
英文術語 |
中文翻譯 |
技術含義 |
|
Thermal management |
熱管理 |
通過136.2 W/(m·K)的高熱導率快速散熱，解決可穿戴設備發熱問題 |
|
EMI shielding |
電磁屏蔽 |
105 dB屏蔽效能，保護人體免受電磁輻射干擾 |
|
Health monitoring |
健康監測 |
基于摩擦電效應實時監測生理信號（如脈搏、關節運動） |
|
Joule heating |
焦耳加熱 |
通電后可達141.1°C的控溫能力，適用于智能溫控穿戴設備 |
4、圖表設計邏輯說明
a部分示意圖 需包含：
? 靜電自組裝過程（帶正電mGNPs與帶負電CNF結合）
? 熱壓工藝形成的層狀取向結構
? 類神經網絡的三維互穿結構示意圖
b部分功能圖 應體現：
? 貼附人體的傳感器形態
? 四大功能對應符號（如：熱傳導箭頭、電磁波屏蔽圖標、生理信號波形、溫度曲線）
注：此解析嚴格基于用戶提供的文獻上下文（熱導率/EMI數值等數據來自前文翻譯內容），未添加任何虛構參數或功能描述。需特別注意焦耳加熱（Joule heating）是電流通過導體時的電阻發熱現象，與普通電加熱有本質區別。
.png)
圖2. mGNPs的微觀結構與性能表征
a) GNPs和mGNPs在水溶液中靜置48小時后的分散狀態
b) GNPs、TA@GNPs及mGNPs的XPS全譜和C 1s窄區譜
c) GNPs、TA@GNPs及mGNPs的FTIR譜圖
d) GNPs、TA@GNPs及mGNPs的TGA曲線
e) mGNPs的SEM圖像及對應區域的C、O、N元素EDS面分布
f) GNPs、mGNPs和CNFs在水中的Zeta電位
g) CNFs和CNF-G28復合材料的SEM圖像
關鍵術語與技術解析
a) 分散穩定性驗證
科學意義：證明單寧酸（TA）和硅烷（APTES）雙修飾顯著改善石墨烯納米片（GNPs）親水性
表征原理：mGNPs因表面極性基團（-OH/-NH?）形成水合層抵抗團聚
b) XPS表面化學分析
|
樣品縮寫 |
化學修飾說明 |
C 1s譜預期特征 |
|
GNPs |
原始石墨烯 |
僅sp²-C峰（284.8 eV） |
|
TA@GNPs |
單寧酸非共價修飾 |
新增C-O（286.2 eV）、C=O（287.8 eV）峰 |
|
mGNPs |
TA+APTES共價/非共價雙修飾 |
新增C-N（285.6 eV）及N 1s信號（未顯示） |
c) FTIR官能團驗證
關鍵譜峰：
? mGNPs在3350 cm?¹（O-H/N-H）、1720 cm?¹（TA的C=O）、1100 cm?¹（Si-O-C）出現新吸收峰
? 證明TA酚羥基和APTES硅氧烷成功接枝
d) TGA熱穩定性
重量損失階段：
<150℃：吸附水脫除 → mGNPs失重率最低（親水性強）
200-500℃：TA分解 → mGNPs殘碳率高于TA@GNPs（共價鍵增強熱穩定性）
e) SEM/EDS元素證據
核心技術指標：
? N元素均勻分布 → 確證APTES硅烷成功修飾
? O元素含量顯著提升 → 反映TA覆蓋度
f) Zeta電位機制
|
材料 |
電位值范圍 |
靜電自組裝原理 |
|
CNFs |
-35 ~ -40 mV |
表面羧基電離 |
|
mGNPs |
+30 ~ +35 mV |
APTES氨基質子化 |
|
作用 |
|
正負電荷吸引驅動CNF-mGNPs復合 |
g) 微觀結構演變
CNFs： 典型纖維網狀結構（直徑~20nm）
CNF-G28：
? "G28"指28 wt%填料含量（數字代碼為行業慣例）
? mGNPs緊密包覆CNF形成"神經突觸"式互穿網絡 → 印證前文類神經系統設計
圖表設計邏輯
1、修飾效果驗證鏈：
a分散性→b表面化學→c官能團→d熱穩定性→e形貌元素 → 形成完整證據閉環
2、機理解釋核心：
f電位差 → 解釋g復合結構的形成機制 → 關聯圖1a制備流程
注：所有解析嚴格基于用戶提供的文獻背景，重點突出"雙修飾協同效應"（TA改善分散性+APTES增強界面結合），該設計是獲得136.2 W/(m·K)超高導熱性能的關鍵創新點。
.png)
圖3. CNF/G復合材料的微觀結構與力學性能
a) 復合材料的斷口SEM圖像：i) CNF-G, ii) CNF/G4, iii) CNF/G19, iv) CNF/G28
b) mGNPs與CNFs間共價鍵與非共價鍵相互作用的示意圖
c) CNF薄膜、CNF/G28復合材料及不同mGNPs含量CNF/G復合材料的應力-應變曲線
d) CNFs和CNF/G28復合材料的C 1s窄區XPS譜
e) CNF/G28復合材料的二維廣角X射線散射（WAXS）圖譜
f) 二維WAXS圖案的徑向積分結果
深度解析
a) 斷口形貌演變
|
樣品 |
微觀結構特征 |
機制說明 |
|
CNF-G |
原始CNF纖維網狀結構 |
純纖維素基體無增強相 |
|
CNF/G4 |
零星mGNPs附著（低含量4 wt%） |
填料分散不均導致局部弱界面 |
|
CNF/G19 |
mGNPs連續包覆CNF（中含量19 wt%） |
形成"神經突觸"互穿結構（圖2g驗證） |
|
CNF/G28 |
致密層狀堆疊（高含量28 wt%） |
熱壓誘導高度取向 → 力學強化核心 |
b) 界面作用機制示意
plaintext
共價鍵作用：
mGNPs表面-NH? + CNFs表面-COOH → 酰胺鍵（C-N-C=O）
非共價作用：
1. π-π堆疊（TA苯環與CNF吡喃環）
2. 氫鍵（mGNPs的-OH/-NH?與CNFs的-OH）
? 協同效應：共價鍵提升界面強度，非共價鍵耗散斷裂能
c) 力學性能定量分析
CNF薄膜：韌性斷裂（應變~15%）
CNF/G28：
? 高強度（159.3 MPa，比純CNF高8倍）
? 獨特"脆性-韌性"雙階段斷裂：
階段1：取向mGNPs層滑移（線性彈性）
階段2：CNF纖維橋連（塑性變形）
d) 界面化學鍵驗證（XPS）
CNF/G28的C 1s譜：
在288.2 eV處出現酰胺鍵C=O峰（純CNF無此峰） → 直接證明共價鍵形成
e-f) 結晶取向證據（WAXS）
|
參數 |
數據解讀 |
科學意義 |
|
二維圖譜(e) |
明顯赤道弧 |
mGNPs沿熱壓方向高度取向排列 |
|
徑向積分(f) |
002晶面峰半高寬(FWHM)=12° |
取向度高于純CNF(FWHM>25°) → 提升模量
|
技術關聯性總結
1、工藝-結構-性能閉環：
熱壓工藝 → 層狀取向結構(e/f) → 高強度/特殊斷裂行為(c)
2、界面設計創新性：
雙修飾mGNPs(圖2) → 多級界面作用(b/d) → 8倍強度提升(c)
3、工程應用指向：
28 wt%填料含量實現最優力學性能 → 滿足可穿戴設備抗彎曲需求（呼應圖1b傳感器應用）
注：解析嚴格基于用戶提供的完整文獻脈絡（如雙修飾mGNPs制備、128°熱壓工藝等），未添加非原文數據。CNF/G編號中"G"指代石墨烯（Graphene），數字為質量百分比（如G28=28 wt%填料），此為復合材料領域標準命名法。
.png)
圖 4. CNF/G 復合材料的熱性能。
a) 不同 mGNPs 含量下 CNF/G 復合材料的導熱系數 (TC) 值。
b) CNF/G 復合材料的熱傳遞模型示意圖。
c) CNF/G 復合材料的實驗測量導熱系數值與各種理論模型預測值的比較。
d) CNF/G28 復合材料的導熱系數值與之前報道的導熱復合材料的比較。
e) 不同電壓下 CNF/G28 復合材料的溫度分布和紅外圖像。
f) 使用 CNF 膜、CNF/G28 復合材料和 PI 膜作為柔性散熱基板進行熱傳遞的照片。
g) 開啟和關閉加熱器芯片電源后，CNF 膜、CNF/G28 復合材料和 PI 膜的溫度隨時間變化曲線。
h) 不同時間點下 CNF 膜、CNF/G28 復合材料和 PI 膜的熱紅外圖像。
解析：
這段文字描述了一張科學圖表（圖4）的各個分圖（a到h）所展示的內容摘要，核心主題是纖維素納米纖維/石墨烯 (CNF/G) 復合材料的熱性能 (Thermal properties)，特別是其導熱性能 (Thermal Conductivity, TC)。
1、圖4a (TC值與mGNPs含量的關系):
展示了復合材料導熱系數 (TC) 這個關鍵熱性能參數如何隨著一種填料——改性石墨烯納米片 (mGNPs)——含量 (contents) 的增加而變化的曲線圖。這揭示了填料含量對復合材料導熱能力的影響規律。
2、圖4b (熱傳遞模型示意圖):
提供了一個示意圖 (Schematic diagram)，用于解釋或說明熱量是如何在 CNF/G 復合材料內部進行傳遞/傳導 (Heat transfer) 的理論或概念性模型。這有助于理解復合材料導熱的結構基礎。
3、圖4c (實驗值與理論模型預測值的比較):
將 CNF/G 復合材料實際實驗測量 (experimentally measured) 得到的導熱系數值，與基于不同物理原理建立的多種理論模型 (various theoretical models) 所預測 (predicted) 的值進行了比較 (Comparison)。這用于驗證理論模型的準確性和適用性。
4、圖4d (與現有導熱復合材料的比較):
重點關注了一個特定配方CNF/G28 復合材料（G28 可能指含28wt%或vol%的mGNPs），將其導熱系數值放在更廣的范圍內，與之前已報道 (previously reported) 的其他導熱復合材料 (thermally conductive composites) 的性能進行了比較 (Comparison)。這展示了該復合材料在當前研究領域中所處的水平（是否具有競爭優勢）。
5、圖4e (特定樣品的溫度分布與紅外圖像):
研究了特定配方 CNF/G28 復合材料在不同電壓 (different voltages) 作用下的表現。展示了復合材料在通電加熱時表面的溫度分布 (Temperature profiles)（可能以曲線圖或等高線圖形式）以及同時捕捉的紅外熱圖像 (images)（直觀顯示溫度場）。這反映了材料在實際通電加熱場景下的動態溫度變化和熱分布均勻性。
6、圖4f (散熱基板應用照片):
通過照片 (Photographs) 直觀地展示了 CNF/G28 復合材料作為一種柔性散熱基板 (flexible heat-dissipating substrates) 在實際熱傳遞 (heat transfer) 應用中的效果，并與純 CNF 膜 (CNF film) 和常用的聚酰亞胺膜 (PI film) 進行對比。這演示了該復合材料的潛在應用價值和相對于基準材料的優勢。
7、圖4g (溫度隨時間變化曲線):
在圖4f的基礎上進行定量測量，顯示了當放在加熱器芯片 (heater chip) 上時，開啟 (powering ... on) 和關閉 (powering ... off) 電源后，CNF 膜、CNF/G28 復合材料和 PI 膜 三種材料的溫度 (Temperature) 如何隨時間 (as a function of time) 變化的曲線圖 (variations)。這定量比較了三種材料作為散熱基板時，升溫速率（開啟時）和降溫速率（關閉時）的性能差異。
8、圖4h (不同時間的紅外熱圖像比較):
利用熱紅外圖像 (Thermal infrared images) 在不同時間點/階段 (different periods)（如圖4g過程中的關鍵時間點）拍攝了 CNF 膜、CNF/G28 復合材料和 PI 膜三種材料表面的溫度分布情況。這提供了更直觀、空間分辨的溫度信息，補充圖4g的曲線圖，清晰地展示了CNF/G28復合材料在快速擴散熱量（避免熱點）方面的優勢。
總結：
這段圖文摘要系統性地展示了一項關于新型柔性導熱復合材料（CNF/G）的研究結果。它涵蓋了從基礎性能（導熱系數隨填料含量的變化規律，理論模型驗證）、性能水平定位（與現有材料的對比），到應用潛力演示（作為柔性散熱基板的通電加熱測試、溫度分布可視化、升/降溫速率比較）的全鏈條證據。圖4e-h (特別是f, g, h) 通過實驗照片、溫度曲線和紅外熱像圖，非常直觀且有力地證明了CNF/G28復合材料相比于純纖維素膜（CNF film）和商用聚酰亞胺膜（PI film）具有顯著優越的散熱性能，適合用作下一代高性能柔性電子設備的散熱材料。
.png)
圖 5. CNF/G 復合材料的電磁屏蔽（EMI）性能。
a) 不同 mGNPs 含量下 CNF/G 復合材料的電導率與 b) 電磁屏蔽效能（EMI SE）。
c) 不同厚度 CNF/G14 復合材料的 EMI SE 曲線。
d) CNF/G 復合材料的 EMI SE 值與先前報道的電磁屏蔽材料在不同填料含量、導熱系數（TC）和厚度下的對比。
e) CNF/G 復合材料電磁屏蔽機理示意圖。
f) 不同 mGNPs 含量下 CNF/G 復合材料的總屏蔽效能（SET）、吸收損耗（SEA）和反射損耗（SER）值。
g) 普通紙張與 CNF/G28 復合材料對智能手機無線充電的電磁屏蔽能力演示圖。
解析：
此圖表系統研究了 纖維素納米纖維/石墨烯（CNF/G）復合材料 的 電磁屏蔽（EMI Shielding）性能，核心結論是 石墨烯的加入顯著提升了材料的電磁屏蔽能力。以下是分項解析：
1. 圖5a-b：電導率與屏蔽效能的關系
a) 展示了復合材料的 電導率（Electrical Conductivity） 隨 改性石墨烯納米片（mGNPs） 含量增加的提升趨勢。
b) 證明 電磁屏蔽效能（EMI SE） 與電導率正相關——電導率越高，屏蔽能力越強。
核心結論：石墨烯形成導電網絡是提升屏蔽性能的關鍵。
2. 圖5c：厚度對屏蔽性能的影響
CNF/G14（含14% mGNPs）的 EMI SE 曲線 顯示：厚度增加 → 屏蔽效能顯著提升。
意義：可通過調節厚度靈活適配不同屏蔽需求的應用場景。
3. 圖5d：與同類材料的性能對比
將 CNF/G 復合材料與 文獻報道的屏蔽材料 在三個維度對比：
? 填料含量（更低含量實現更高屏蔽）
? 導熱性（TC）（兼具導熱與屏蔽雙功能）
? 厚度（更薄厚度達到同等屏蔽效果）
亮點：突顯該材料“高效、輕薄、多功能”的優勢。
4. 圖5e：屏蔽機理示意圖
示意圖揭示屏蔽的三重機制：
反射（Reflection, SER）：表面石墨烯反射電磁波。
吸收（Absorption, SEA）：內部石墨烯網絡吸收并耗散電磁能。
多次內反射：材料內部孔隙延長電磁波路徑，增強吸收。
核心機理：反射+吸收協同作用（非單一依賴金屬化反射）。
5. 圖5f：屏蔽效能的分項量化（SET/SEA/SER）
SET（總屏蔽效能）= SEA（吸收損耗）+ SER（反射損耗）
數據表明：
SEA 占比主導（吸收 > 反射），符合e圖的機理解釋。
mGNPs 含量增加 → SEA 顯著提升（石墨烯網絡強化吸收能力）。
重要性：吸收為主的屏蔽機制能減少二次電磁污染，更符合現代電子設備需求。
6. 圖5g：實際應用演示（智能手機無線充電）
左圖（紙張）：電磁波無阻礙 → 手機成功充電。
右圖（CNF/G28）：復合材料阻斷電磁波 → 充電中斷。
演示價值：直觀證明 僅5mm厚度的CNF/G28即可完全屏蔽日常電磁干擾（無線充電頻段）。
總結
圖5通過系統的實驗數據、機理分析和實際演示，全面證明了：
石墨烯含量和材料厚度是調控屏蔽性能的關鍵參數；
CNF/G 復合材料具備 “以吸收為主導”的高效屏蔽機制；
在低填料含量、薄厚度條件下，其性能優于多數文獻報道材料；
實戰演示（手機屏蔽）凸顯其在消費電子中的直接應用價值。
核心優勢：輕、薄、強、環保（纖維素基），是下一代便攜電子設備的理想電磁屏蔽材料。
.png)
圖 6. 基于 CNF/G28 復合材料的摩擦納米發電機（TENG）的結構與輸出性能
a) 基于 CNF/G28 復合材料的 TENG 結構及工作原理示意圖。
b) 不同壓力下 TENG 輸出電壓相對變化率（ΔV/V?）的變化規律。
c) 100 Pa 壓力下 TENG 的輸出電壓信號。
基于 CNF/G28 復合材料的 TENG 在監測 d) 手腕、e) 肘部、f) 膝關節彎曲時的電壓響應。
g) TENG 在 2 Hz 頻率下持續 2400 次接觸-分離循環的輸出電壓穩定性。
解析：
此圖表展示了 CNF/G28 復合材料在柔性可穿戴能量收集與傳感領域的創新應用，重點研究其作為摩擦納米發電機（TENG）核心組件的性能。以下是關鍵解析：
1. 圖6a：結構設計和工作原理
結構設計：
采用 CNF/G28 復合材料作為摩擦層（高導電性+柔性）。
通常配對另一種高分子材料（如 PTFE）構成接觸-分離式 TENG。
工作原理：
接觸起電：兩材料接觸時表面電荷轉移。
靜電感應：分離時電荷差異驅動外部電路電子流動發電。
創新點：纖維素基底+石墨烯兼具柔性與高電荷存儲能力。
2. 圖6b-c：壓力敏感性
b) ΔV/V?（電壓變化率）：
低壓區（<50 Pa）：ΔV/V? 顯著變化 → 超高壓力靈敏度（可監測微小壓力）。
高壓區：響應趨于平緩 → 適合寬范圍壓力檢測。
c) 100 Pa 輸出電壓：
清晰穩定的脈沖峰型 → 證實 TENG 信號的信噪比和可靠性高。
意義：適用于脈搏、微觸碰等生物弱信號監測。
3. 圖6d-f：人體關節運動監測
|
關節部位 |
電壓響應特征 |
應用場景 |
|
手腕 |
規律性震蕩信號 |
手勢識別、腕部活動跟蹤 |
|
肘部 |
大幅單峰信號（彎曲時） |
康復訓練動作量化 |
|
膝蓋 |
高幅值雙峰信號（屈伸） |
步態分析、運動監測 |
核心優勢：
柔性貼合：材料適應關節曲面變形。
無源傳感：無需外部供電，通過運動自發發電檢測。
4. 圖6g：長期工作穩定性
2 Hz 頻率 + 2400 次循環：
輸出電壓無衰減（保持穩定振幅）。
無信號失真 → 機械耐久性優異。
突破性意義：
解決傳統 TENG 因材料疲勞導致的性能衰退問題。
石墨烯增強的纖維素基體抗循環形變能力強。
總結：材料的四大核心價值
能量收集：將人體運動機械能轉化為電能（驅動可穿戴設備）。
自驅動傳感：無需電池即可實時監測生理/運動信號。
超柔性適配：完美貼合人體關節，穿戴舒適。
工業級耐用：>2400 次循環穩定性滿足實際應用需求。
應用場景：智能醫療（康復監測）、人機交互（手勢識別）、物聯網（無源傳感器）。
.png)
圖 7. 基于 CNF/G28 復合材料的摩擦納米發電機（TENG）應用
a) 基于 CNF/G28 復合材料的 TENG 結構及工作原理示意圖。
b) 基于摩爾斯電碼（Morse code）的通訊機制示意圖。
基于 CNF/G28 復合材料的 TENG 通過摩爾斯電碼輸出字符表達情緒：c) "SOS"、d) "HELP"、e) "SICK"。
f) 患者通過穿戴式 TENG 傳感器與醫生遠程溝通的示意圖。
深度解析：
該圖系統展示了 CNF/G28 復合材料 TENG 在應急通訊與醫療交互領域的創新應用，核心突破在于 將機械能轉化與信號編碼技術結合，實現無源智能化交互。
1. 圖7a：結構與工作原理復現
*結構設計：
柔性 CNF/G28 復合材料作為 摩擦層（高電荷轉移效率）
彈性支撐層（如海綿）輔助接觸分離
*發電原理：
接觸起電 → 靜電感應 → 脈沖電流輸出
注：此處結構設計與圖6a一致，強調應用場景的普適性
2. 圖7b-e：摩爾斯電碼情緒通訊系統
|
功能模塊 |
技術實現 |
創新價值 |
|
信號編碼 |
按壓間隔控制脈沖序列 → 生成摩爾斯電碼 |
無需電子芯片實現數字通訊
|
|
字符輸出 |
SOS (· · · – – – · · ·)
HELP (······)·-···--)
SICK (·····-·-·-·-) |
緊急場景一鍵求救 |
|
情緒表達 |
預設信號映射特定語義（如 SICK=急需醫療） |
突破語言/語音障礙的交互方式 |
*技術亮點：
無源操作：完全由按壓動作供能，無電池依賴
抗干擾性：脈沖信號可通過聲/光/震動多通道傳輸
3. 圖7f：醫療級遠程交互系統
工作流程：
mermaid
graph LR
A[患者穿戴傳感器] --> B[關節運動發電]
B --> C[生成摩爾斯信號]
C --> D[藍牙/WiFi傳輸]
D --> E[醫生端解碼系統]
E --> F[實時健康干預]
*核心組件：
柔性傳感器：貼合關節監測活動狀態（呼應圖6d-f）
雙模通訊：
本地摩爾斯電碼（應急場景）
無線數據傳輸（常規遠程診療）
*社會意義：
為語言障礙/偏遠地區患者提供低成本的醫療求助通道
總結：技術閉環與場景拓展
1、基礎原理復用
圖6的發電機制（a）→ 圖7的終端應用（a-f），驗證 CNF/G28 從材料到系統的技術連貫性。
2、從工具到交互
突破傳統 TENG 僅作為「能量收集器」的局限，升級為 人機交互接口（摩爾斯編碼）和 健康數據終端（醫療傳感）。
3、可持續性設計
全鏈路無需電池：材料發電 → 本地編碼 → 無線傳輸，契合綠色電子發展趨勢。
應用前景：災后救援（SOS系統）、無障礙通訊（漸凍人患者）、遠程醫療（社區醫院）
受人類神經系統啟發，本研究通過簡單的靜電自組裝方法及隨后的熱壓工藝，成功制備了具有卓越熱導率和電磁干擾屏蔽效能的CNFs基復合材料。所得到的 單寧酸非共價和3-氨基丙基三乙氧基硅烷共價共修飾的石墨烯納米片作為填料，在CNFs基復合材料中形成了有序的層狀結構，這得益于mGNPs與CNFs之間的氫鍵和靜電相互作用。所得到的CNF/G28復合材料展現出了136.2 W/(m·K)的面內熱導率和105 dB的高EMI屏蔽效能，同時還具有出色的拉伸強度和141.1°C的焦耳加熱溫度。將CNF/G28復合材料用作單電極模式的摩擦納米發電機（TENG ）電極，該發電機具有寬檢測范圍和快速響應/恢復時間，形成了一個便捷的人機交互系統，能夠實時監測人體運動并通過摩爾斯電碼表達情感。更重要的是，CNF/G28復合材料基TENG在2400次接觸分離循環中幾乎保持穩定，證明了其作為可穿戴電子設備的長期穩定運行性能。總之，所提出的方法在構建用于人類健康監測和人機交互的可穿戴傳感器方面具有廣闊的應用前景。
DOI: 10.1002/adfm.202315851
本文的創新點如下：
1、仿生結構設計：
*靈感來源：受人類神經系統啟發，設計了類似神經纖維結構的改性石墨烯納米片（GNPs）/纖維素納米纖維（CNFs）基復合材料。這種結構類似于神經纖維，作為信號傳輸的“軌道”，具有快速感知和響應外部刺激的能力。
*結構實現：通過非共價（單寧酸修飾）和共價（3-氨基丙基三乙氧基硅烷修飾）聯合改性的方法 ，制備了具有正電荷的GNPs（mGNPs），并與帶負電的CNFs通過靜電自組裝和熱壓工藝，形成了有序且層狀的mGNPs/CNFs復合材料。
2、優異的熱管理和電磁干擾屏蔽性能：
*高熱導率：復合材料展現出極高的面內熱導率（136.2 W/(m·K)）和出色的面外熱導率（17.2 W/(m·K)），這得益于mGNPs的有序排列和與CNFs的緊密接觸，形成了有效的熱傳導路徑。
*高電磁干擾 屏蔽效能：在28%體積分數的mGNPs下，復合材料在200μm厚度時達到了105 dB的電磁干擾屏蔽效能，遠高于同類材料。
3、多功能可穿戴傳感器應用：
*實時健康監測：利用復合材料的高電導率，構建了基于單電極模式的摩擦電納米發電機（TENG），用于實時監測人體運動，如手腕、肘部和膝蓋的彎曲。
*情感表達：通過摩爾斯電碼，傳感器能夠表達情感，如“SOS”、“HELP”和“SICK”等信號， 展示了在人機交互和醫療傳感領域的潛力。
4、制備工藝創新：
*簡單高效：采用靜電自組裝和熱壓工藝，相對于傳統的冰模板、氣泡模板和鹽模板法，這種方法更簡單、成本更低，且適合大規模生產。
*界面 增強：通過非共價和共價聯合改性，解決了GNPs的聚集問題，同時保持了其內在表面性質，并增強了與聚合物基體的界面相互作用。
5、綜合性能優異：
*機械性能：復合材料不僅具有高熱導率和電磁干擾屏蔽性能，還展現出優異的機械性能，如高拉伸強度（39.88 MPa）和良好的柔韌性和承載能力。
*長期穩定性：經過2400次接觸分離循環測試，傳感器性能保持穩定，證明了其 作為可穿戴電子設備的長期使用潛力。
6、理論預測與實驗驗證：
*理論模型驗證：通過多種經典理論模型預測復合材料的熱導率，并與實驗值進行對比，驗證了制備策略的有效性。
這些創新點使得該研究在可穿戴傳感器領域具有顯著的優勢和應用前景，特別是在需要高效熱管理和電磁干擾屏蔽的智能醫療和機器人技術中。
摘自《石墨烯研究》公眾號
