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石墨烯气凝胶具有规则的多孔结构、室温下的高载流子迁移率和优异的化学稳定性，在柔性触觉传感领域应用广泛。然而，由于石墨烯片层在反复压缩下容易发生滑动，石墨烯气凝胶的结构稳定性较差；并且现有的压缩应变传感器在应力作用下的传热性能变化尚不清楚，难以用于检测真实温度，使触觉传感技术的进一步发展面临诸多挑战。
近期，天津大学封伟教授课题组采用水热还原和原位焊接的实验方法，成功制备了一种超弹性聚酰亚胺纤维/石墨烯气凝胶（PINF/GA），系统性地研究了该复合气凝胶的微观结构、力学性能和导热性能，并通过简便的方法将其应用于柔性触觉传感阵列，测试了其对未知物体形貌和温度同时感知的能力。该复合气凝胶具有独特的拱桥形结构，宽温度高弹性和良好的循环稳定性，其热导率和电导率具有较高的应力敏感性，导热系数变化比可达9.81。此外，基于温度数据库，构建的柔性触觉传感阵列，可以同时检测未知物体的形状、高度分布和温度分布。该研究成果解决了三维石墨烯网络动态热调节能力差和弹性差的问题，对具有宽工作温度范围的柔性触觉传感器的设计产生了深远的影响。研究结果表明，PINF/GA在柔性触觉传感、智能人机交互技术领域具有广泛的应用前景。
该研究成果以“Hyperelastic Graphene Aerogels Reinforced by In-suit Welding Polyimide Nano Fiber with Leaf Skeleton Structure and Adjustable Thermal Conductivity for Morphology and Temperature Sensing”为题发表于《Advanced Fiber Materials》。
图1 PINF/GA制备流程图、SEM照片及PINF“焊接”SEM照片
图2 PINF/GA力学性能表征、弹性模型和回弹机理示意图
图3 PINF/GA热性能表征、有限元模拟和理论计算示意图
