这是一篇关于用于温度和应变高灵敏度多模态传感的拉胀辅助解耦策略的原创研究论文。以下是对该研究的详细学术报告。

主要作者及发表信息 本研究由上海交通大学材料科学与工程学院，金属基复合材料国家重点实验室的Hao Yin, Yanting Li, Chenhui Jiang, Qichao Li和通讯作者Yiping Guo共同完成。该研究成果于2025年11月10日在线发表于材料科学领域的顶级期刊《Advanced Functional Materials》上。

研究背景与目标 随着物联网（IoT）技术的飞速发展，作为核心供能装置的锂离子电池，因其高能量密度、轻便和长寿命而被广泛应用。然而，在充放电过程中，电池极易发生热量积聚、气体产生和电极变形等问题，这些热学与力学效应相互耦合、互相促进，可能加速电池失效，甚至引发热失控或爆炸。因此，开发能够同时且可靠地实时检测热学和力学信号的传感平台至关重要。目前的多模态传感器面临两大挑战：一是传感模式之间的信号串扰导致性能下降；二是基于算法的解耦系统复杂、能耗高，不适用于微型化设备。此外，无铅压电材料如铌酸钾钠（KNN）虽环保，但其固有压电系数较低。本研究旨在开发一种全新的器件级解耦策略，通过构建一种模量异质的“旋转正方形”拉胀结构，将热阻式温度传感器和压电式应变传感器在空间上垂直分离，以近完美地消除热-力串扰，实现对温度和微小形变的同时高灵敏检测。

详细研究流程 本研究的设计与实现主要包括以下几个步骤： 首先，研究团队进行了多模态传感器的结构设计与机理分析。他们设计了一种双层集成器件，顶层是由聚二甲基硅氧烷和玻璃纤维织物（PDMS-GFF）复合而成的高模量薄膜，通过激光切割成具有负泊松比（NPR）的旋转正方形结构。该结构在受到拉伸时，刚性单元会发生旋转，而可拉伸区域则发生侧向膨胀。底层则是由KNN压电陶瓷骨架嵌入PDMS中形成的可拉伸低模量复合薄膜。上下两层因共用PDMS基质，可在固化时实现无缝整合，形成一个具有刚性域和可拉伸域交替互锁结构的整体。工作原理是，拉伸时刚性域的运动隔离了其上温度传感器免受形变干扰，而可拉伸域的膨胀则放大了压电层的面内应变，增强了电学输出。

其次，研究者进行了器件的制备与表征。压电阵列的制备采用了模板辅助的溶胶-凝胶法，并首次利用可扩展的超声波喷涂技术，将KNN溶胶均匀沉积在聚氨酯（PU）泡沫模板骨架上。经过干燥和1000°C烧结去除模板后，形成了具有三维互连多孔结构的KNN陶瓷骨架。X射线衍射（XRD）证实其为纯钙钛矿相，压电力显微镜（PFM）测试显示出标准的蝴蝶曲线和180°相位反转，证实了其优异的压电性能。随后将其进行电晕极化并封装在PDMS中，制备成2×2的电极阵列。温度传感阵列的制备则是将聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸)（PEDOT:PSS）、羧甲基纤维素（CMC）和石墨烯（Graphene）的导电悬浮液，通过精密点胶技术沉积在PDMS-GFF拉胀薄膜的刚性区域。力学测试表明，刚性域的PDMS-GFF的弹性模量是可拉伸域PDMS-KNN复合材料的189倍，巨大的模量差异确保了功能隔离。

主要实验结果与分析 在压电传感器的性能评估中，研究团队通过精密线性致动器系统进行了一系列表征。在d33模式下，传感器在0.2-4 N的压力范围内表现出767.88 mV N⁻¹的高灵敏度，在4-16 N范围内灵敏度为158.67 mV N⁻¹，这一饱和度衰减归因于压电相偶极子重定向逐渐饱和。在d31弯曲模式下，输出电压随弯曲半径减小而线性增加。最关键的是，得益于拉胀结构的应变增益效应，该无铅压电传感器首次实现了100%的拉伸性，并能可靠地检测到小至5微米的表面突起，响应和恢复时间分别为39毫秒和29毫秒。在10万次30微米循环形变的耐久性测试后，性能无任何退化。

在温度传感器的性能评估中，基于PEDOT:PSS/石墨烯的传感器在25至130°C的宽温域内表现出稳定的负温度系数（NTC）响应，最大电阻变化率达到-65%，且具有0.1°C的高分辨率。通过分析电阻-温度关系，研究发现其传导机制符合小极化子跳跃（SPH）模型，拟合度极高。石墨烯纳米片在PEDOT:PSS导电网络中起到了桥接和形成渗流路径的作用，有效降低了活化能势垒。该传感器在35-45°C之间的25次热循环中表现出极小的电阻波动，在40-120°C的阶梯升温下展现了稳定的热稳定性。

关于解耦策略的验证，有限元模拟直观显示，弯曲形变产生的应变主要集中在可拉伸区域，有效传递给了压电层，而刚性区域几乎无形变。实验上，在弯曲半径从8.30毫米变化到25.72毫米（对应应变42.17%至13.60%），或压力从0.2 N变化到16 N时，温度传感器的电阻波动在0.1%以内，证明其对力学干扰几乎免疫。同时，在25°C至140°C的温度范围内，压电传感器在固定5 N压力下的输出电压仅有微弱增加（从3.03 V到3.14 V），该变化与差示扫描量热法（DSC）测得的KNN陶瓷的相变行为一致。在热电-力耦合测试中，将加热至130°C和80°C的重物放置在传感器单元上，器件能独立、准确地读出温度（113.9°C和71.0°C）和重量（191克和292克），充分证明了其出色的解耦能力。

应用验证与结论 为展示实际应用潜力，研究人员将传感器阵列贴附于模拟锂离子电池的铝塑袋表面。在25°C下，注入不同体积气体模拟膨胀，压电传感器输出了与形变程度成正比的电压信号，而温度传感器无响应。将铝塑袋加热至50°C和80°C后再注入气体，温度传感器仅记录到由温度引起的电阻变化，而压电传感器则同步输出由膨胀引起的尖锐电压尖峰，实现了两种信号的有效区分。在模拟电池热膨胀的阵列测试中，4个单元的2×2传感器阵列成功监测到了因空间热传递不均导致的温度差异和同步发生的体积膨胀，验证了其对电池典型失效模式（过热和膨胀）的监测能力。

研究亮点与价值 本研究的首要亮点在于提出并验证了一种基于模量异质拉胀结构的器件级解耦新策略，近乎完美地解决了多模态传感中热-力信号串扰的核心难题。其次，首次采用超声波喷涂法制备了基于无铅KNN陶瓷框架的3-3复合压电材料，这一方法具备可扩展性，并赋予了材料100%的拉伸性和对应变的高灵敏度，突破了无铅压电材料性能的固有瓶颈。此外，研究阐明了温度传感器的SPH传导机制。该工作不仅为复杂环境下的结构健康监测提供了一种紧凑、鲁棒的双参数传感解决方案，也为下一代解耦多模态电子设备的设计开辟了新范式，具有重要的科学价值和应用前景。