本文亮點

1.EHD制備：通過電流體動力學直寫制備高熵合金纖維，并在納米尺度上對其進行金屬化處理，在聚合物納米纖維內部形成均勻的高熵合金晶格。

2.溫度免疫：具有較低的電阻溫度系數(45.59 ppm K?1)以及出色的循環穩定性(6000次循環)，能夠在較寬的溫度范圍內實現可靠的應變測量。

3.精確穩定：應用于可穿戴的人體關節監測及機器人抓取，在復雜的熱環境中具有極高的可靠性和精準的響應能力。

研究背景

溫度穩定性對于柔性傳感器的測量精度至關重要。然而，與剛性器件不同，柔性傳感器尺寸小巧且制備于柔性基底之上，難以有效隔絕外界熱干擾，導致其極易受環境溫度波動的影響。主要表現為基線漂移、噪聲放大和動態測量誤差，已成為制約柔性傳感器廣泛部署的主要障礙。然而，常規研究往往側重于異質材料的溫度補償策略，卻忽視了多組分協同過程中因熱響應不一致導致的長期有效性問題。因此，如何實現本征穩定的溫度免疫特性，賦予柔性傳感器在溫度波動下的精準感知能力，是通往實用化道路上一個更具挑戰性的課題。

內容簡介

針對傳統柔性傳感器難以擺脫溫度干擾、依賴異質材料復合補償卻面臨長期穩定性不足的瓶頸，廈門大學鄭高峰團隊跳出“材料復合”的固有框架，提出了一種基于高熵合金本征溫度免疫特性的設計新思路。通過借助電流體動力學直寫技術，將高熵合金鹽與聚合物共混紡絲，構建前驅體導電網絡。再經退火金屬化處理，在納米纖維內部形成均勻的高熵合金晶格，協同實現了聚合物的可拉伸性與高熵合金低電阻溫度系數的巧妙結合。該策略無需復雜的多層復合或異質補償設計，僅通過高熵合金的本征材料特性，同步解決了溫度干擾與長期穩定性兩大核心瓶頸，為開發適應復雜熱環境的下一代柔性傳感提供了切實可行的設計路徑。

圖文導讀

I電流體動力學直寫與電紡共同制備

如圖1所示，通過電紡直寫與靜電紡絲結合，實現高熵合金納米纖維的沉積與柔性基底制備與集成。得益于高熵合金獨特的嚴重晶格畸變與化學無序特性從物理本源上抑制了電阻的熱致漂移。而電場誘導的纖維成型過程，則為多組元在納米纖維中的均勻分布提供了保障，構筑出兼具優異柔韌性與穩定導電網絡的復合結構。相關表征示意圖在圖2中展示。

圖1. 溫度免疫高熵合金應變傳感器的制備原理及應用研究。

圖2. 傳感器制備工藝及微觀形貌表征。

II本征熱穩定性與靈敏度可調控的協同設計

得益于高熵合金多主元組分帶來的嚴重晶格畸變效應與化學無序特性，有效抑制了電子-聲子彈性散射，從物理本源上削弱了電阻對溫度的敏感性，從而表現出顯著低于單一主元纖維的電阻溫度系數和優異的熱穩定性。通過XRD與SAED分析證實了纖維內形成了多種面心立方物相，拉曼光譜中觀察到的聲子紅移與寬化現象則進一步揭示了聲子軟化效應。實驗結果表明，該高熵合金傳感器的電阻溫度系數(TCR)低至45.59 ppm/K，遠優于單一主元纖維。在此基礎上，通過電液動力學直寫技術制造了具有回轉結構的應變傳感器，其幾何參數(如轉角半徑、圈數)可通過有限元模擬進行優化設計，實現了對應變集中區域的調控，進而達到靈敏度系數的可控調節。這種材料本征穩定性與結構可設計性的協同，為寬溫域下高精度應變檢測奠定了堅實基礎。

圖3. 高熵合金纖維的晶體結構表征及低電阻溫度系數特性。

III高熵合金傳感器的綜合性能

高熵合金應變傳感器在寬溫域(-10℃至70℃)及大應變(50%)范圍內展現出卓越的穩定性與可靠性。如圖4c所示，在0℃、20℃、40℃及60℃不同溫度下進行的30%應變拉伸-回復測試中，電阻變化曲線高度重合，響應時間穩定在310 ms(上升沿)與350 ms(下降沿)，充分驗證了其溫度免疫特性。在6000次連續拉伸循環后(圖4h)，傳感器性能衰減高度可控，證實了材料優異的損傷容限與長期穩定性。傳感器在復雜熱環境與循環加載場景中展現出突出的應用潛力，為后續可穿戴監測與機器人抓取應用奠定了堅實基礎。

圖4. 高熵合金應變傳感器和溫度穩定性和應變性能。

IV穿戴監測與機械手抓取

圖5展示了該柔性應變傳感器在可穿戴監測與機器人抓取中的應用。在人體關節監測中，傳感器緊密附著于手腕、手指等多處動態部位，實時響應關節彎曲引起的電阻變化，并在10℃與30℃溫度波動下保持信號一致、無基線漂移。在圖6的機器人手抓取測試中，傳感器在10℃、30℃及50℃環境溫度下重復抓取物體，信號重復性良好且誤差極低；動態變溫實驗中，抓取與釋放對應的電阻峰清晰穩定，無明顯漂移。結果表明，該傳感器在復雜熱環境下具備優異的溫度不敏感性與環境適應性，為多變熱工況下的高精度應變監測提供了可靠技術支持。

圖5. 應變傳感器在可穿戴系統中的應用。

圖6. 應變傳感器在機械手應力檢測系統的應用。

V總結

本研究基于電液動力學直寫技術，研制出一種具有本征溫度免疫特性的FeCoNiMnZn高熵合金柔性應變傳感器。該傳感器在50%應變下靈敏度因子達1.12，響應時間僅310 ms，經6000次循環拉伸無基線漂移，展現出優異的循環穩定性。得益于高熵合金固有的晶格畸變與聲子軟化效應，器件在-10℃至70℃寬溫區內電阻溫度系數低至45.59 ppm/K，確保了溫度波動下的信號穩定性。其溫度免疫特性與柔韌性使其在人體關節運動監測、可穿戴健康監測及機器人操控等多場景中實現可靠應變感知，彰顯了在復雜條件下的適應性。

將高熵合金構建為熱穩定導電骨架的策略，為突破傳統復合材料補償方法的局限提供了可行路徑。此外，作為一種直寫技術，該制備方法與噴墨打印、卷對卷制造等成熟工業工藝高度兼容，無需復雜轉移步驟即可無縫集成于現有柔性電子產線，實現圖案化電路制備。

綜上，本研究不僅推動了本征穩定柔性傳感器的發展，也為能在熱動態環境中長期運行的下一代可穿戴電子與柔性傳感系統奠定了堅實基礎。

來源：納微快報