近日，西安電子科技大學(xué)杭州研究院汽車電子研究所保宏團隊在國際頂級期刊Advanced Materials（影響因子為27.4）發(fā)表題為《Passive Isothermal Flexible Sensor Enabled by Smart Thermal-Regulating Aerogels》的研究論文。研究采用智能熱調(diào)節(jié)氣凝膠，構(gòu)筑具有環(huán)境自適應(yīng)的無源被動等溫柔性傳感器，實現(xiàn)柔性傳感器在動態(tài)熱環(huán)境中的長期監(jiān)測穩(wěn)定性。
這是保宏團隊柔性電子方向在不到一年的時間，在AFM和AM兩個國際頂級期刊以研究院為第一單位發(fā)表論文。西電杭州研究院博士后鐘申潔、西交利物浦大學(xué)博士生魯博涵為論文共同第一作者，西安電子科技大學(xué)杭州研究院為第一署名單位，論文的合作單位還包括浙江大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校和蘇州大學(xué)。
一般數(shù)情況下，柔性傳感器多由聚合物基底組成，這導(dǎo)致柔性傳感器對環(huán)境波動高度敏感，容易出現(xiàn)傳感輸出性能不穩(wěn)定的情況。
針對以上問題，被動式日間輻射制冷（PDRC）被提出，這是一種無需任何能量輸入的新型制冷方式。其主要通過有效反射太陽輻射（0.3-2.5μm波段）并通過大氣窗口（8-13μm波段）向寒冷的外太空輻射熱量，最終實現(xiàn)物體表面的自發(fā)冷卻。將PDRC與柔性傳感器集成，可有效防止傳感器在夏日晴天戶外過熱。但是PDRC可能會導(dǎo)致傳感器在冬季室外過冷。
此外，非輻射熱（熱傳導(dǎo)）對實現(xiàn)熱平衡同樣重要，使用超低熱導(dǎo)率材料不僅在高溫時減少從周圍環(huán)境傳遞到傳感器的熱量，并在寒冷氣候下最大限度地減少內(nèi)部熱量損失。
然而，現(xiàn)有的傳感器熱調(diào)節(jié)策略無法同時滿足散熱和保溫的要求，確保傳感器在動態(tài)熱環(huán)境下保持額定工作溫度仍然是一項挑戰(zhàn)。
針對上述問題，本研究提出了一種無源被動等溫傳感器，該傳感器集成PDRC和熱絕緣的可調(diào)熱管理策略，以適應(yīng)動態(tài)熱環(huán)境。
無源被動等溫傳感器的熱調(diào)控原理及微結(jié)構(gòu)示意圖
由中空微纖維組裝而成的多層次纖維素氣凝膠(HCA)作為傳感器頂部摩擦電負(fù)極材料，在不同熱環(huán)境下能夠分別實現(xiàn)加熱和冷卻功能。HCA具有較高的陽光反射率和中紅外發(fā)射率，因此是PDRC（輻射熱過程）的理想材料。
同時，HCA具有超低導(dǎo)熱系數(shù)（非輻射熱過程）。在夏季太陽輻射強時，PDRC占主導(dǎo)地位，實現(xiàn)輻射冷卻。相反，在冬季環(huán)境溫度較低時，HCA的低導(dǎo)熱率（非輻射）可防止熱量散失。
本工作為開發(fā)新型環(huán)境自適應(yīng)型柔性傳感器提供了一種新思路，有望實現(xiàn)柔性可穿戴電子設(shè)備在動態(tài)熱環(huán)境中的長期穩(wěn)定性。
文章來源：西安電子科技大學(xué)
