济南大学王鹏/浙理工孟垂舟等 AFM：具有高响应速度与高稳定性的柔性温度传感器

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近期，济大王鹏博士、付秀丽教授/浙理工孟垂舟教授联合在Advanced Functional Materials上发表了题为“A flexible temperature sensor with ultrafast response speed and high stability achieved by improving substrate thermal conductivity and radiative cooling”的研究成果。论文第一作者是河北工业大学机械工程学院孙桂芬博士，该成果以静电纺丝纳米纤维为基底，通过引入定向 BNNS 提升热传导、添加 PANI/G 实现高灵敏度、覆盖 TPU/SiO₂纳米纤维增强稳定性，最终获得了可用于人体长期监测、呼吸监测及电池测温的柔性温度传感器。

该柔性温度传感器以透气的静电纺丝纳米纤维为核心平台，从下到上分为四个部分：TPU/BNNS 纳米纤维层（提升热导率）、PVA / 石墨烯（G）叉指电极（连接敏感层）、PVA/G/PANI 线性敏感层（温度感应）、TPU/SiO₂纳米纤维层（保护与冷却）（图 1）。

图 1：传感器的结构设计与性能分析（a）结构示意图：传感器从上到下分四层 —— 最上层 TPU/SiO₂纳米纤维（辐射制冷、防干扰）、中间 PVA/G/PANI 敏感层（感知温度）、PVA/G 叉指电极（传导信号）、底层 TPU/BNNS 纳米纤维（快速导热）。（b）敏感层 SEM 图：G（石墨烯）和 PANI（聚苯胺）是 “温度感应器”，温度升高时，二者片层间距变大，电阻上升；PVA 则像 “胶水”，让敏感层与基底牢牢贴合，不易断裂。（c, d）透气与热导特性：纳米纤维的多孔结构让透气性超 600 mm/s，汗液能快速蒸发；BNNS（氮化硼纳米片）沿平面排列，形成 “热传导高速路”。（d）热导模拟：含 BNNS 的基底（热导率 0.76 W m⁻¹ K⁻¹）比纯 TPU（0.18 W m⁻¹ K⁻¹）导热快 4 倍。（e）所制备纳米纤维热导率与常用材料热导率的性能对比。（f）响应时间对比：含 BNNS 的传感器响应仅 0.32 秒，是纯 TPU 基底传感器的 1/3。（g）所制备传感器响应速度与已报道工作的对比。（h）户外冷却效果：阳光下，传感器表面温度比环境低 4.5℃，而棉布温度比环境高 5.8℃。（i）不同基底温度传感器在不同环境下的温度测试对比。

图 2 基底热导率与温度传感器响应速度间关系的探究。（a）导热机理图。（b）热导方向示意图。（c）热导率数据：纯 TPU 面内热导仅 0.70 W m⁻¹ K⁻¹，加入 40% BNNS 后升至 8.12 W m⁻¹ K⁻¹。（d）制备的纳米纤维热导率与已发表工作对比。（e, f）不同BNNS含量纳米纤维膜的辐射制冷性能对比。（g）响应时间与 BNNS 的关系：BNNS 含量从 0 到 40%，响应时间从 1.2 秒降至 0.32 秒。（h, i）响应时间与基底厚度的影响：15.5 μm 厚的基底热导达 9.9 W m⁻¹ K⁻¹，256 μm 厚则降至 4.5 W m⁻¹ K⁻¹, 响应时间随纳米纤维基底厚度的增加而增大。

图3 辐射制冷性能测试。（a, b）冷却测试装置：用热电偶和大气温度计，在户外实测辐射制冷效果。（c）光谱性能：TPU/SiO₂对太阳光反射率达 92%（少吸热），对红外光发射率达 96%（多散热）。（d）皮肤温度对比：阳光下 1 小时，棉布下皮肤平均 35.8℃，PI 膜下 25.5℃，传感器下仅 23.8℃。（e）制备传感器与PI膜的辐射制冷性能对比（f-g）稳定性测试：商用传感器在阳光下信号波动大（信噪比波动为 45.8%），而该传感器波动仅 12%。

图4传感器的性能测试。（a）测试装置图。（b）灵敏度曲线：当 PANI 与 G 比例为 1:1 时，20-55℃区间灵敏度达 0.077℃⁻¹（温度每变 1℃，电阻变化 7.7%）。（c-d）稳定性验证：10 次循环测试信号一致，连续 1500 秒监测波动小于 0.003。（e）循环稳定性测试。（f）阶梯测试。（g）疏水特性：143.5° 的接触角。（h, i）湿度对传感器性能的影响。（j）透气性展示。（k）透气对比：透气性超 600 mm/s，和衣服相当，远高于 PDMS 膜。（l）生物相容性：纳米纤维基传感器贴手臂10天无红肿，而 PI 膜基温度传感器下皮肤红肿。

图5 传感器的应用（a）传感器匹配的机电系统逻辑图（b）传感器应用于呼吸监测。（c）传感器应用于人体状态监测。（d）电池充放电过程的温度监测。

综上所述，该工作通过结构设计（定向 BNNS 热导路径）与材料设计（PANI/G 温敏层、TPU/SiO₂冷却层），成功制备出兼具超快速响应、高灵敏度、强稳定性的柔性温度传感器。其纳米纤维结构带来的透气、疏水特性，以及辐射制冷与热管理能力，使其在可穿戴健康监测、电子皮肤、工业测温等领域极具应用前景，为柔性温度传感器的性能突破提供了重要参考。

作者介绍

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王鹏：济南大学机械工程学院教师，校聘青年英才岗，研究方向为柔性传感器，累计以第一作者/通讯作者发表论文38篇（包括20篇中科院一区Top期刊，2篇ESI前1%高被引文章），包括Advanced Functional Materials、Nano Micro Letters、InfoMat、Advanced Fiber Materials、Nano Energy、Chemical Engineering Journal、ACS Sensors等高水平期刊；累计撰写、申请发明专利17项，其中6项已授权，其余均在实质审查中；担任Exploration期刊青年编委；中国微米纳米学会高级会员；受邀担任国际SCI检索期刊Advanced Functional Materials、Nano Micro Letters、Nano Energy、Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials & Interfaces等的审稿人；连续两年获得2021年、2022年博士研究生国家奖学金，2022年获得天津市创新奖学金，2023年获得河北省优秀毕业生，2018年获得天津市王克昌文化科技奖学金，2024年获得河北工业大学优秀博士论文，2022年获得河北工业大学学术之星，2022年获得河北工业大学三好学生荣誉称号，连续两年获得2021年、2022年河北工业大学机械工程学院十佳学术之星荣誉称号。个人主页：

https://faculty.ujn.edu.cn/wangpeng1/zh_CN/index/149227/list.

付秀丽：济南大学机械工程学院教授、博士生导师，泰山产业蓝色专项产业领军人才；兼任山东省工程师协会副会长、本科教育教学评估专家、国际工程教育认证认证专家。研究领域为高性能制造、高端装备研发、医工交叉等。主持国家自然科学基金项目3项、省重大创新工程、省新旧动能转换重大项目、省基金重点项目等10余项。先后获得省本科教学成果一等奖2项、山东省教育系统建功立业标兵、山东省优秀研究生导师、济南大学最美教师等称号。

孟垂舟：浙江理工大学材料科学与工程学院特聘教授，博士生导师。国家海外高层次人才引进计划青年特聘专家、河北省海外高层次青年人才、河北省侨联侨界专家委员会委员。清华大学物理学学士、博士学位，曾任职美国普渡大学生物医学工程系博士后研究员、美国IBM半导体研发中心高级工程师、新奥集团能源研究院石墨烯/储能/能源新材料等技术中心主任。长期从事新型纳米材料和高分子弹性体的制备研究，以及其在能源转换与存储、生物医学传感、柔性电子皮肤、可穿戴健康设备、和健康护理装备上的应用开发。

原文信息

Guifen Sun, Dongying Wang, Peng Wang*, Ying Meng, Xiuli Fu*, Hongmei Yan and Chuizhou Meng*. A flexible temperature sensor with ultrafast response speed and high stability achieved by improving substrate thermal conductivity and radiative cooling. Advanced Functional Materials, 2025. https://doi.org/10.1002/adfm.202512296

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