Sustainable Carbon Aerogels from Polyolefin Plastics for High-Linearity Bidirectional Strain Sensing

Yang Yue, Hui Bi*, Shiyu Zhang, Chen Luan, Zhangliu Tian, Dayong Ren, Fuqiang Huang*

Nano-Micro Letters (2026)18: 362

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02196-7

本文亮点

1. Ni-S界面调控与塑料持续供碳协同：通过Ni-S界面调控与塑料持续供碳的协同作用，实现棉花上均匀、可控的碳纳米纤维生长，进而获得兼具导电性与弹性的碳气凝胶。

2. 宽范围、近线性的双向应变传感：气凝胶封装实现了近线性的宽量程双向应变传感，信号无饱和现象，无明显不对称性。

3. 共轴双向输出定量粘附动力学：通过共轴双向输出量化粘附动力学，并提取出与力无关的生物界面粘附系数。

研究背景

柔性应变传感器能够将外界机械形变转化为电信号，在健康监测、电子皮肤、软体机器人和人机交互等领域具有重要应用前景。近年来，已报道了高拉伸或高压缩传感器件，但在同一器件中同时实现拉伸和压缩的高线性、高灵敏和宽范围响应仍然具有挑战。其根本原因在于，拉伸和压缩对导电网络的调控机制不同：拉伸通常会增大导电填料间距、破坏渗流通路；压缩则会增加接触点和接触面积，增强导电连接。这种相反的导电网络演化过程容易导致信号非线性、方向难区分或灵敏度不平衡。因此，发展双向同轴高线性应变传感对于构建高性能、易集成的下一代柔性电子器件有重要意义。

内容简介

针对柔性应变传感中双向(拉伸与压缩)信号响应非对称、非线性、难以在同一传感层内同时实现高灵敏与宽线性范围的瓶颈，上海交通大学黄富强团队通过催化界面与碳源供给的协同调控，实现了双向同轴应变传感的一体化设计，创新制备了基于塑料衍生可持续碳源与镍硫界面调控的分级碳气凝胶(CNFs-CCFs-A)。该结构巧妙实现了拉伸与压缩模式下导电网络的可逆重构，可谓一举两得：在拉伸状态下，碳纳米纤维间的接触逐渐分离，导电通路减少但变化平缓，贡献近线性的电阻上升；在压缩状态下，纤维网络被压实，接触点与隧穿通路显著增加，贡献敏感且稳定的电阻下降。该策略无需复杂的多层结构或信号解耦设计，仅通过材料本征的分级网络结构，同步解决了双向应变传感中线性度不足、灵敏度低和方向识别模糊等核心瓶颈，为下一代可穿戴电子与柔性人机界面提供了新思路。

图文导读

I Ni-S界面调控与塑料供碳协同：实现均匀碳纳米纤维生长

如图1所示，本研究通过催化剂界面工程与可持续碳源供给的协同策略，解决了碳纳米纤维在三维碳骨架上生长不均匀的难题。天然棉纤维吸附Ni²⁺后形成均匀分布的Ni₃S₂催化位点，聚烯烃塑料分解释放稳定碳物种。Ni-Sₓ界面通过弱化Ni−C相互作用，抑制催化剂失活与过量碳沉积，从而在碳化棉纤维表面可控生长出长度均一、分布均匀的碳纳米纤维，构建出导电且弹性的分级碳气凝胶，为双向应变传感提供了可逆重构的导电网络基础。

图1. 用于同轴双向应变传感器的CNFs-CCFs-A材料传感设计示意图。

II Ni-Sₓ界面调控机制：抑制催化剂失活，实现可控碳生长

如图2所示，系统探索了Ni/S比例与碳化温度对CNF生长的调控作用。当Ni与S摩尔比接近1:1时，Ni-Sₓ与金属Ni⁰之间形成动态平衡，有利于CNF的均匀生长；过量硫则会抑制Ni⁰的生成，导致CNF生长受阻。在碳化温度方面，850°C时碳溶解度适中，CNF均匀且长度适中，为分级碳气凝胶的可控制备提供了关键工艺依据。此外，揭示了Ni-Sₓ催化界面调控碳纳米纤维均匀生长的内在机制。高分辨透射电镜显示，Ni-Sₓ催化的CNF生长界面几乎无连续石墨层包裹催化剂颗粒，仅在局部出现石墨析出；而传统Ni催化剂表面则被完整石墨层包覆，导致催化剂失活。X射线衍射和拉曼光谱也证实，Ni-Sₓ体系中同时存在Ni₃S₂与金属Ni⁰相，且缺陷程度更高，表明硫的引入有效调控了碳溶解-析出行为。密度泛函理论计算表明，碳物种在Ni₃S₂表面的吸附能显著低于金属Ni表面， Ni−S键弱化了Ni−C相互作用，抑制过量碳沉积与催化剂包覆，保障了CNF的持续、均匀生长。

图2. Ni-Sₓ催化界面调控下分级结构CNFs-CCF的微观结构与表征。

III 分级碳气凝胶的机械性能与双向应变传感：可逆导电网络重构实现宽范围线性响应

如图3所示，CNFs-CCFs-A气凝胶具有优异的弹性恢复能力，在20%压缩应变后能完全回弹。应力-应变曲线显示其在不同密度下均表现出良好的可逆压缩行为，循环测试证实了其机械稳定性。经Dragonskin封装后，传感器在40%压缩和100%拉伸循环中保持稳定的机械响应。应变传感压缩时纤维网络被压实，接触点与隧穿通路增加，电阻下降；拉伸时纤维间接触逐渐分离，电阻上升。

图3. CNFs-CCFs-A的机械性能及应变传感机制。

如图4所示，该传感器在−40%至100%的宽应变范围内表现出稳定的电响应，其中拉伸至82%、压缩至27%范围内呈近线性行为，拉伸灵敏度因子(GF)为7.8，压缩GF为1.7。CNFs在拉伸过程中，作为高导电通路首先发生接触分离，但由于CNF与CCF之间存在超过两个数量级的电导率差异，随着应变增大，电流逐渐从断裂的CNF网络重新分配至连续但低电导的CCF骨架，这一渐进式过渡延缓了非线性饱和的出现；在压缩过程中，网络密实化增加接触面积、缩短隧穿间距，主要降低隧穿电阻和接触电阻，在应变范围内保持准线性变化。均匀生长的CNF网络避免了导电通路的突变式重构，协同实现了宽应变范围内的近线性响应。传感器在5000次±20%拉伸-压缩循环中信号保持稳定，能够清晰区分应变方向。与已报道的应变传感器相比，本研究在线性范围、双向灵敏度和循环稳定性方面均展现出显著优势。

图4. CNFs-CCFs-A/Dragonskin应变传感器的电机械性能。

IV 可穿戴传感应用：界面粘附定量与人体运动监测

如图5所示，基于CNFs-CCFs-A/Dragonskin传感器稳定的同轴双向响应能力，展示了其在两方面的可穿戴应用。在界面粘附定量方面，当传感器按压并脱离不同粘性表面时，压缩阶段和拉伸阶段分别产生方向相反的电信号，且两者满足线性关系，能够成功区分了苹果皮、皮肤、糯米和口香糖等不同生物表面。在人体运动监测方面，传感器贴合于手指、手腕和膝关节，能够清晰捕捉弯曲与伸展动作的方向和幅度，信号稳定且可重复。当集成至电子皮肤并佩戴于手掌时，传感器可准确区分自然状态、手指伸展和握拳三种姿态，展现出在柔性人机交互中的广阔应用前景。

图5. CNFs-CCFs-A/Dragonskin 应变传感器的应用演示。

V 总结

本研究提出了一种基于催化剂界面工程与可持续碳源供给协同调控的策略，在碳化棉纤维骨架上实现了碳纳米纤维的均匀、可控生长，构筑出分级碳气凝胶，用于同轴双向应变传感。该传感器利用同轴双向输出的压缩与拉伸信号，成功量化了界面粘附动力学，提取出与施加力无关的粘附系数，可区分苹果皮、皮肤、糯米、口香糖等不同生物表面；同时可稳定监测手指、手腕、膝关节等多处人体运动，集成于电子皮肤实现手势识别。这一分级碳网络设计策略，相比传统碳基应变传感器双向性能分离优化的方式，更加简洁、高效，尤其能同时实现宽双向应变范围、高灵敏度和长期稳定性，也能为其他需兼顾拉伸与压缩感知的柔性电子器件提供新思路。

作者简介

黄富强

本文通讯作者

上海交通大学 讲席教授

▍主要研究领域

无机固体化学与能源材料与器件。

▍主要研究成果

上海交通大学讲席教授、未来材料创制中心主任、极端能源材料智能创制教育部重点实验室主任、能源物质研究所所长、中国化学会能源化学专委会主任、国家杰出青年科学基金获得者。长期从事无机固体化学与能源材料与器件研究，在多功能复杂化合物设计理论、新型能源材料制备及能源器件研发等方面取得了系统性原创成果。以第一/通讯作者在Science、Nat. Energy、Nat. Catal.、Nat. Mater.、Nat. Phys.等发表论文700余篇，他引49,100余次，H因子109，多次入选全球高被引科学家榜单。已获得授权发明专利180余项，多项技术成果应用于国家重大科技工程并实现产业化转化。

▍Email：huangfq@sjtu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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