柔性電子器件因其在彎曲、扭曲、折疊、拉伸等條件下仍能保持穩(wěn)定的電氣性能而成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。柔性電子器件與常規(guī)硬質(zhì)器件相比，廣泛應(yīng)用于柔性傳感器、可穿戴設(shè)備、能源存儲、植入醫(yī)療等領(lǐng)域。類似于高導(dǎo)熱復(fù)合納米材料，柔性電子設(shè)備的制備主要是通過導(dǎo)電納米材料 (如納米線、納米管、石墨烯等。)與柔性聚合物基體復(fù)合獲得。然而，在設(shè)備反復(fù)變形的過程中，導(dǎo)電納米材料之間的較大接觸電阻和納米材料與聚合物基體之間的不良接觸會在柔性電子設(shè)備中積累大量的熱量。如果這些熱量不能及時從設(shè)備中消散，必然會影響設(shè)備的性能和使用壽命，甚危及整個系統(tǒng)的安全。也就是說，對于柔性電子設(shè)備來說，穩(wěn)定的熱學(xué)性能同樣重要，除了優(yōu)異的機(jī)械性能和電學(xué)性能。雖然目前的導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料本身具有一定的靈活性，但應(yīng)用于LED常規(guī)硬質(zhì)電子器件的熱管理，但其在柔性電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用研究卻很少。探尋恰當(dāng)?shù)臒峁芾聿牧吓c結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用于柔性電子器件領(lǐng)域，對其機(jī)理展開深入研究，對于新一代柔性可穿戴電子器件的發(fā)展顯得尤為重要。

  近日，青島大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院副教授孫斌與上海交通大學(xué)黃興義教授、上海大學(xué)張統(tǒng)一院士合作開發(fā)了一種柔性可穿戴應(yīng)變傳感器，具有高效的熱管理能力，用于監(jiān)測和分析青島大學(xué)龍舟運(yùn)動員的日常訓(xùn)練動作。相關(guān)工作A high perfor ** ncewearable strain sensor with advanced ther ** l  ** nagement for motion monitoring”發(fā)表在《Nature Communications》上。第 一作者是2020年青島大學(xué)物理學(xué)碩士譚岑孝、副教授孫斌、黃興義教授、張統(tǒng)一院士。

   柔性可穿戴應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖

  由石墨烯納米帶制成的柔性可穿戴傳感器的獨(dú)特結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(GNRs)當(dāng)設(shè)備變形時，電阻信號發(fā)生變化，可用于實(shí)時監(jiān)測人體運(yùn)動；導(dǎo)熱層由熱塑性聚氨酯彈性氮化硼納米片(TPU-BNNS)膜構(gòu)成，可將器件使用過程中產(chǎn)生的熱量快速實(shí)時傳導(dǎo)到空氣中；熱絕緣層（TPU纖維膜)能有效防止熱量在器件和人體皮膚界面積累，保證人體安全。同時，TPU纖維膜的多孔結(jié)構(gòu)也保證了皮膚的透氣性。

   (a) TPU-BNNS導(dǎo)熱層和傳感器的導(dǎo)熱系數(shù) (b) 不同BNNSs傳感器樣品飽和工作溫度比較高 (c) 傳感器經(jīng)受30多個反復(fù)拉伸(100 %變形 (d) 在拉伸-恢復(fù)過程中BNNSs導(dǎo)熱通面積的變化導(dǎo)致導(dǎo)熱通道的變化

  研究人員發(fā)現(xiàn)，無論是否TPU-BNNSs膜或傳感器的導(dǎo)熱系數(shù)會隨之而來BNNSs含量增加，但由于傳感器含有疏松TPU電紡纖維層的導(dǎo)熱系數(shù)不如同質(zhì)量BNNSs的TPU-BNNSs膜，但含有35%BNNSs傳感器樣品的導(dǎo)熱系數(shù)仍然相對純TPU密膜封裝樣品增加242%，這也導(dǎo)致前者飽和工作溫度比后者下降32%。此外，研究人員還觀察了傳感器在0-100%應(yīng)變范圍內(nèi)的飽和工作溫度，其飽和溫度在30個周期內(nèi)發(fā)生變化.5 °C熱穩(wěn)定性高。其原因在于TPU-BNNSs膜中的BNNSs雖然拉伸過程中的一部分是相互搭聯(lián)形成導(dǎo)熱通路的BNNSs接觸面積變小，導(dǎo)致溫度略有升高，但大部分恢復(fù)變形后BNNSs回到原來的位置，修復(fù)了導(dǎo)熱通道。

   龍舟隊(duì)員訓(xùn)練時動作監(jiān)測分析應(yīng)變傳感器

  龍舟比賽是中國的傳統(tǒng)體育項(xiàng)目。在龍舟比賽中，龍舟運(yùn)動員以肩膀?yàn)檩S，通過上肢劃槳，驅(qū)動龍舟快速前進(jìn)。因此，龍舟運(yùn)動員的傷病主要發(fā)生在上肢，包括肩膀、肘部、手腕等關(guān)節(jié)，其中大部分是由疲勞引起的?？紤]到疲勞時容易發(fā)生動作變形，研究人員在青島大學(xué)女子龍舟隊(duì)（2019年中國龍舟比賽決賽第三名）的日常訓(xùn)練動作監(jiān)測中使用了應(yīng)變傳感器。傳感器分別固定在運(yùn)動員的肩膀、手腕和肘部。結(jié)果表明，當(dāng)運(yùn)動員體力充沛時，肩部固定的傳感器信號顯示兩個峰值，分別對應(yīng)肩部的拉伸和關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)；當(dāng)運(yùn)動員感到疲勞時，肩關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)信號減弱甚完全消失，只有機(jī)械拉伸活動。相反，手腕上的傳感器信號顯示，疲勞的運(yùn)動員會不由自主地彎曲手腕，以獲得足夠的力量來推動葉片。此外，無論是肩膀、手腕還是肘部，當(dāng)運(yùn)動員體力不足時，傳感器信號的輸出強(qiáng)度都小于體力充沛。

   細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)證明了柔性可穿戴應(yīng)變傳感器的安全性

  對于可穿戴電子設(shè)備，設(shè)備的安全非常重要，即設(shè)備本身不能對人體造成任何安全風(fēng)險。在這個傳感器中，導(dǎo)熱層和熱絕緣層都是由TPU因此，兩層材料具有良好的互溶性，可以GNRs和BNNSs將其牢牢地限制在設(shè)備中，以避免因納米材料而造成的毒性對人體細(xì)胞的損傷。

  這項(xiàng)工作有望為柔性可穿戴器件的制備提供新的思路。

   來源：青島大學(xué)柔性電子創(chuàng)新中心