柔性电子和材料的快速发展导致了可穿戴技术的重大进步，如植入式设备、电子皮肤（e-skin）和生理信号监测。各种类型的可穿戴设备为日常生活中人类活动和健康状况的长期连续监测提供了可能。其中，温度传感器尤为关键，因为它们能够感知人体散发的热量，并据此推断人体内部温度和健康状况。然而，传统的刚性温度传感器通常基于 bulky 的金属或半导体材料，存在固有的局限性，阻碍了其在实际场景中的应用。刚性传感器无法贴合人体复杂的轮廓，导致热接触不可靠，温度读数不准确，尤其是在动态活动中。因此，制备柔性温度传感器迫在眉睫。
为此，该工作以透气的纳米纤维为平台，通过引入高导热的定向氮化硼纳米片（BNNS）和温敏材料聚苯胺（PANI）/ 石墨烯（G），制备出响应时间短、灵敏度高的温度传感器，同时具备优异的稳定性和人体热管理能力，为提升温度传感器的实用性开辟了新路径。
近期，济大王鹏博士、付秀丽教授/浙理工孟垂舟教授合作，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。该研究以“A flexible temperature sensor with ultrafast response speed and high stability achieved by improving substrate thermal conductivity and radiative cooling”为题目发表在《Advanced Functional Materials》上。论文第一作者是河北工业大学机械工程学院孙桂芬博。
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）。
该传感器具有优异的透气性（大于 600 mm s-¹）和高透湿性（大于 480 g m²day-¹），提高了长期佩戴的舒适度。此外，TPU/SiO₂和 TPU/BNNS 纳米纤维的结合使传感器能够提供卓越的人体热管理，与传统衣物相比，在户外环境中将体温降低超过 15°C。为了进行应用验证，所制备的传感器用于不同环境下人体的长期温度监测、不同状态下的呼吸监测以及电池充放电过程中的温度监测。这种快速响应、高稳定性和高灵敏度的温度传感器为未来健康监测智能硬件的发展奠定了基础。
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。
结论
在本研究中，作者利用透气的 TPU/SiO₂和 TPU/BNNS 纳米纤维平台制备出一种快速响应且高稳定性的温度传感器。该传感器由四个部分组成：用于提高热导率的 TPU/BNNS 纳米纤维层、连接线性敏感层的 PVA/G 叉指电极、用于温度传感的六层线性 PVA/G/PANI 层，以及有助于提升传感稳定性和人体热管理性能的 TPU/SiO₂纳米纤维层。得益于其结构设计和材料组成，所制备的温度传感器展现出超快的响应速度（响应时间 0.32 秒，恢复时间 0.98 秒），同时具有高稳定性和高灵敏度（20 至 55℃范围内为 0.077℃-¹，55 至 95℃范围内为 0.009℃-¹）。
纳米纤维结构使其具备优异的透气性（>600 mm s-¹）和透湿性（>480 g m-2 day-¹），提升了长期佩戴的舒适度。此外，TPU/SiO₂和 TPU/BNNS 纳米纤维的应用赋予传感器卓越的热管理能力，在户外环境中，与传统衣物相比，可使人体温度降低超过 15℃。为验证其应用价值，所制备的传感器被用于不同环境下人体的长期温度监测、不同状态下的呼吸监测以及电池充放电过程中的温度监测。由于该传感器响应速度快，结合机器学习系统能够快速准确地识别材料。这种温度传感器具有超快的响应速度、优异的稳定性和灵敏度、出色的热管理能力，在远程医疗诊断、电子皮肤和仿生传感器等多种场景中具有广泛的应用前景。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202512296
人物简介：
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。
