材料分析與應用 - 拜羅伊特大學《ACS AMI》:超輕隔熱、導電碳纖維海綿，用於可穿戴機械傳感設備－鑽石舞台

1成果簡介

由於超彈性、出色的回彈性和隔熱性，超輕高孔海綿對電子設備具有吸引力。然而，製造具有低導熱性、機械柔韌性和壓阻率以及可調節加熱行為的超輕導電海綿仍然是一個挑戰。本文，拜羅伊特大學Qiang Gao（第一作者）、Seema Agarwal、Andreas Greiner等研究人員在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊發表名為「Ultralight Heat-Insulating, Electrically Conductive Carbon Fibrous Sponges for Wearable Mechanosensing Devices with Advanced Warming Function」的論文，研究通過了一種由氧化石墨烯包覆的聚酰亞胺海綿熱解而成的超輕碳納米纖維海綿。所得碳海綿表現出0.03–4.72Sm–1的高電導率和0.027–0.038Wm–1K–1的低熱導率（20 °C，在環境空氣中），以及低密度約6mg cm -3。此外，海綿表現出機械柔韌性、穩定性、優異的壓阻性和可調節的加熱行為。因此，它可以用作傳感設備，包括熱管理，使其有望用於智能運動服、人機界面和可穿戴醫療保健設備。

2圖文導讀

圖1. (a) CS 的製造過程。(b) PIPUGO SF組裝的表面相互作用機制。顏色代碼：PI 黃色、PU 藍色和 GO 黑色。(c) PIPUGO SF的 TEM 和 (d) SEM 圖像。(e) PIPUGO 纖維碳化後的 SEM 圖像。(f) 所得 PIPUGO 海綿 (I) 和 CS (II) 的數字圖像。

圖2. CS 的物理、化學和機械性能研究

圖3. CS海綿的壓阻特性。

圖4. CS的機械響應加熱特性

3小結

總之，通過碳化 GO 塗層的 PI 複合海綿來探索超輕碳海綿。事實證明，用聚陽離子 PU 進行中間改性對於在聚合物前體纖維上獲得穩定且均勻的 GO 塗層是必要的。所得海綿表現出 6-30 mg cm-3的超低密度。該碳海綿具有出色的機械柔韌性，可實現高達80%的變形和50%變形下的多次壓縮的高耐久性。該碳海綿表現出有吸引力的機械響應電和熱性能。機械響應電導率賦予碳海綿機械傳感可能性。同時，機械響應熱特性提供了碳海綿焦耳加熱功能，通過調節電壓或變形來操作。基於這些優勢特性，本文的海綿展示了一種具有先進熱管理模式的多功能可穿戴傳感系統的新應用。

文獻：

https://doi.org/10.1021/acsami.2c04136