国家杰青、华中科大黄永安教授,联合太原理工李银辉、国家杰青边桂彬教授团队,攻克400℃柔性传感器技术难关,成果发表于Soft Science

第一作者：李银辉、范凯通讯作者：李银辉，边桂彬，黄永安

通讯单位：太原理工大学，华中科技大学

全文链接：

https://www.oaepublish.com/articles/ss.2025.156

将所制备的PAN/Zr(OAc)₄柔性传感器分别在室温和不同高温环境下进行电学输出测试，结果如图3和图4所示。在压电性能方面，450 ℃热处理的传感器室温下开路电压达12.9 V，压电灵敏度1.67 V/N，较纯PAN分别提升33%和63.5%，短路电流350 nA，内阻约15 MΩ，最大输出功率7.35 μW；在高温环境下（低于热处理温度），传感器输出电压约为14.1 V，与室温下的测试结果相近，400 ℃下经5000次机械循环测试且在350 ℃下静态测试400小时，输出性能无明显衰减。极性反转实验更证实，电信号纯源于压电效应，无任何外界干扰。在热释电性能方面，该传感器同样展现出优异的温度响应特性：在100-500K温度梯度下，热释电输出电压 / 电流随温度梯度线性提升，温度分辨率达1.51 nA/℃，响应速度极快，400 ℃时触发响应时间0.6 s，450 ℃时仅0.21 s；加热与冷却曲线几乎重叠，迟滞性小、重复性好，温度监测精准可靠。同时，传感器的压电与热释电信号可实现有效解耦、独立工作，压电信号用于机械振动、应力检测，热释电信号用于温度实时监测，真正实现双功能双模传感。

图3.不同热处理温度下柔性传感器的常温电学性能测试。(A)开路电压。(B)短路电流。(C)输出电压和电流折线表示图。(D)带负载输出功率。(E)极性反接测试。(F)输出稳定性测试。(G)铁电性能测试。(H)介电性能测试。(I)压电性能测试。

图4.柔性传感器(450 ℃热处理)的高温电学性能测试。(A)高温环境模拟平台。(B)不同高温环境下的电压输出。(C)不同高温环境下的电压输出误差棒。(D)极性反接测试。(E)稳定性测试。(F)不同热源梯度下的热释电电压输出。(G) 不同热源梯度下的热释电电流输出。

为验证实际应用价值，研究团队将该传感器贴附于汽车发动机缸壁曲面关键部件，开展高温实时监测实验(图5)。结果显示，传感器在100-500 K温度梯度下，热释电输出电压呈良好线性关系，灵敏度达 355.98 ℃/V；设置400 ℃为安全预警阈值，基于Python开发的可视化监测界面，可实现温度正常绿色指示、异常红色报警，经30次热循环测试，传感器性能始终稳定，完美解决了传统热电偶刚性大、振动下易接触失效的行业痛点，能有效实现发动机局部高温精准预警，对延长发动机使用寿命、保障行车安全、优化燃油效率具有重要的实用价值。

图5.柔性传感器(450 ℃热处理)的热源监测应用。(A)汽车发动机示意图。(B-C)柔性传感器贴附发动机示意图 (D)热释电输出测试。(E)温度-电压拟合曲线。(F-G)局部温度显示界面