天津大学封伟教授团队Adv Fiber Mater：超弹性聚酰亚胺纤维/石墨烯气凝胶（PINF/GA）

近期，天津大学封伟教授课题组在Advanced Fiber Materials上发表了题为“Hyperelastic Graphene Aerogels Reinforced by In-suit Welding Polyimide Nano Fiber with Leaf Skeleton Structure and Adjustable Thermal Conductivity for Morphology and Temperature Sensing”的研究成果。

在本文中，该工作采用水热还原和原位焊接的实验方法，成功制备了一种超弹性聚酰亚胺纤维/石墨烯气凝胶（PINF/GA），系统性地研究了该复合气凝胶的微观结构、力学性能和导热性能，并通过简便的方法将其应用于柔性触觉传感阵列，测试了其对未知物体形貌和温度同时感知的能力。研究结果表明，PINF/GA在柔性触觉传感、智能人机交互技术领域具有广泛的应用前景。

研究内容

石墨烯气凝胶具有规则的多孔结构、室温下的高载流子迁移率和优异的化学稳定性，在柔性触觉传感领域应用广泛。然而，由于石墨烯片层在反复压缩下容易发生滑动，石墨烯气凝胶的结构稳定性较差；并且现有的压缩应变传感器在应力作用下的传热性能变化尚不清楚，难以用于检测真实温度，使触觉传感技术的进一步发展面临诸多挑战。

聚酰亚胺纤维/石墨烯气凝胶（PINF/GA）的制备过程可分为水热还原和原位焊接两个步骤（图1a）。首先，采用抗坏血酸作为还原剂，通过水热还原、冷冻干燥等步骤制备未焊接的PINF/GA。然后经高温处理获得原位焊接的PINF/GA，在此期间分散在复合气凝胶内部的聚酰亚胺纤维（PINF）彼此焊接，从初始的物理搭接转变为化学交联，形成三维互联网络（图1b-d）。从SEM图中可以看出，PINF/GA具有独特的拱桥形结构，PINF像叶脉一样分散在石墨烯片层内部，使PINF/GA表现出了优异的结构稳定性（图1e-g）。

图1 PINF/GA制备流程图、SEM照片及PINF“焊接”SEM照片

三维互联的PINF网络有效提高了复合气凝胶的回弹性能，使得PINF/GA能够抵抗99%的极限压缩应变而保持结构稳定（图2a-b）；能在-30~150℃的温度范围和压缩90%应变的条件下保持良好弹性（图2c），并且具备良好的循环稳定性能（图2d）。之后通过对弹性模型的研究，揭示了PINF/GA回弹的机理，明确了“焊接”的PINF在提高复合气凝胶回弹性能中的作用（图2e-h）。

图2 PINF/GA力学性能表征、弹性模型和回弹机理示意图

PINF/GA的热性能测试如图3a-b所示，PINF/GA的导热系数具有较高的应力敏感性。由于在压缩过程中复合气凝胶内部空气体积分数减小，石墨烯片层之间的接触位点增加、接触面积增大，从而产生了更多的导热路径，使得PINF/GA在压缩90%的状态下，具有最高的导热系数（0.34 W m-1K-1）和最大的导热系数变化比（9.81）。选取PINF/GA薄膜作为导热基元（图3c），运用有限元模拟和导热方程理论计算的方法（图3d-f），验证了在PINF/GA压缩过程中所提出热传导理论的有效性。

图3 PINF/GA热性能表征、有限元模拟和理论计算示意图

此外，作者还搭建了小型瞬态温度系统，用于验证PINF/GA对热量连续调控的能力（图4a）。结果表明，在压缩传热过程中，PINF/GA具有快速的响应时间和良好的循环稳定性能，当热源温度为62℃时，其最大可调温度范围为12℃（图4b-e）。

图4 PINF/GA小型瞬态温度系统热性能表征

基于PINF/GA导热系数连续可调的特性，作者制备了柔性触觉传感阵列(图5a）。结合PINF/GA传感器压缩程度和温度数据库，柔性触觉传感阵列成功实现了对未知模型边缘形状、高度分布和温度分布的同时感知（图5b-g）。

图5 PINF/GA柔性触觉传感性能表征

展望

综上所述，作者通过水热还原和原位焊接的方法制备了超弹性PINF/GA。该复合气凝胶具有独特的拱桥形结构，宽温度高弹性和良好的循环稳定性，其热导率和电导率具有较高的应力敏感性，导热系数变化比可达9.81。此外，基于温度数据库，构建的柔性触觉传感阵列可以同时检测未知物体的形状、高度分布和温度分布。该工作解决了三维石墨烯网络动态热调节能力差和弹性差的问题，可能对具有宽工作温度范围的柔性触觉传感器的设计产生深远影响。

天津大学硕士研究生殷玮达为本文第一作者，秦盟盟副研究员和封伟教授为通信作者。

封面来源于图虫创意