厦门大学郑高峰等：高熵合金纳米纤维打造温度免疫的柔性传感器

针对传统柔性传感器难以摆脱温度干扰、依赖异质材料复合补偿却面临长期稳定性不足的瓶颈，厦门大学郑高峰团队跳出“材料复合”的固有框架，提出了一种基于高熵合金本征温度免疫特性的设计新思路。通过借助电流体动力学直写技术，将高熵合金盐与聚合物共混纺丝，构建前驱体导电网络。再经退火金属化处理，在纳米纤维内部形成均匀的高熵合金晶格，协同实现了聚合物的可拉伸性与高熵合金低电阻温度系数的巧妙结合。该策略无需复杂的多层复合或异质补偿设计，仅通过高熵合金的本征材料特性，同步解决了温度干扰与长期稳定性两大核心瓶颈，为开发适应复杂热环境的下一代柔性传感提供了切实可行的设计路径。

I 电流体动力学直写与电纺共同制备

如图1所示，通过电纺直写与静电纺丝结合，实现高熵合金纳米纤维的沉积与柔性基底制备与集成。得益于高熵合金独特的严重晶格畸变与化学无序特性从物理本源上抑制了电阻的热致漂移。而电场诱导的纤维成型过程，则为多组元在纳米纤维中的均匀分布提供了保障，构筑出兼具优异柔韧性与稳定导电网络的复合结构。相关表征示意图在图2中展示。

图1. 温度免疫高熵合金应变传感器的制备原理及应用研究。

图2. 传感器制备工艺及微观形貌表征。

II 本征热稳定性与灵敏度可调控的协同设计

得益于高熵合金多主元组分带来的严重晶格畸变效应与化学无序特性，有效抑制了电子-声子弹性散射，从物理本源上削弱了电阻对温度的敏感性，从而表现出显著低于单一主元纤维的电阻温度系数和优异的热稳定性。通过XRD与SAED分析证实了纤维内形成了多种面心立方物相，拉曼光谱中观察到的声子红移与宽化现象则进一步揭示了声子软化效应。实验结果表明，该高熵合金传感器的电阻温度系数(TCR)低至45.59 ppm/K，远优于单一主元纤维。在此基础上，通过电液动力学直写技术制造了具有回转结构的应变传感器，其几何参数(如转角半径、圈数)可通过有限元模拟进行优化设计，实现了对应变集中区域的调控，进而达到灵敏度系数的可控调节。这种材料本征稳定性与结构可设计性的协同，为宽温域下高精度应变检测奠定了坚实基础。

图3. 高熵合金纤维的晶体结构表征及低电阻温度系数特性。

III 高熵合金传感器的综合性能

高熵合金应变传感器在宽温域(-10℃至70℃)及大应变(50%)范围内展现出卓越的稳定性与可靠性。如图4c所示，在0℃、20℃、40℃及60℃不同温度下进行的30%应变拉伸-回复测试中，电阻变化曲线高度重合，响应时间稳定在310 ms(上升沿)与350 ms(下降沿)，充分验证了其温度免疫特性。在6000次连续拉伸循环后(图4h)，传感器性能衰减高度可控，证实了材料优异的损伤容限与长期稳定性。传感器在复杂热环境与循环加载场景中展现出突出的应用潜力，为后续可穿戴监测与机器人抓取应用奠定了坚实基础。

图4. 高熵合金应变传感器和温度稳定性和应变性能。

IV 穿戴监测与机械手抓取

图5展示了该柔性应变传感器在可穿戴监测与机器人抓取中的应用。在人体关节监测中，传感器紧密附着于手腕、手指等多处动态部位，实时响应关节弯曲引起的电阻变化，并在10℃与30℃温度波动下保持信号一致、无基线漂移。在图6的机器人手抓取测试中，传感器在10℃、30℃及50℃环境温度下重复抓取物体，信号重复性良好且误差极低；动态变温实验中，抓取与释放对应的电阻峰清晰稳定，无明显漂移。结果表明，该传感器在复杂热环境下具备优异的温度不敏感性与环境适应性，为多变热工况下的高精度应变监测提供了可靠技术支持。

图5. 应变传感器在可穿戴系统中的应用。

图6. 应变传感器在机械手应力检测系统的应用。

郑高峰

本文通讯作者

厦门大学 教授

▍主要研究领域

智能控制、微纳喷印、静电纺丝、传感系统集成应用等方面

▍主要研究成果

厦门大学教授、科学仪器所所长、仪器与电气系副主任、博士研究生导师，福建省杰出青年基金获得者、福建省“雏鹰计划”拔尖人才、厦门市“双百计划”领军型创业人才、福建省高层次人才。承担有国家自然科学基金面上项目、深圳市重大研究专项、福建省产学研合作重点项目、引导类重点项目等研究课题以及30余项企业委托技术开发课题。在Adv. Fiber Mater.、Sep. Purif. Technol.、ACS Appl. Mater. Interfaces、IEEE Sens. J.、光学精密工程等期刊发表 SCI、EI收录学术论文160余篇，出版专著1本，专章4篇，作为第一发明人授权发明专利40余项，其中19项专利实现了产业转化应用。第一完成人获中国发明协会发明创新奖一等奖、福建省科学技术进步奖二等奖、厦门市科学技术进步奖二等奖各1项。

▍Email：zheng_gf@xmu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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