学术研究报告：基于3D超界面策略的具有亿级超灵敏度的橡胶基传感器

一、 研究团队与发表信息

本研究由华南理工大学先进弹性体实验室的王兴钬（Xinghuo Wang）、黄亚茹（Yaru Huang）、陈玉坤（Yukun Chen）等人，联合广东工业大学材料与能源学院的王荟（Hui Wang）、广西大学化学化工学院的徐传辉（Chuanhui Xu）以及香港理工大学的王钻开（Zuankai Wang）共同合作完成。研究论文《A rubber-based sensor with over 100 million-level ultra-sensitivity (0–10% strain range) via 3D super-interface》已于2026年发表在*Nature Communications*期刊上。该版本为未经最终编辑的手稿，提供了研究的早期发现。

二、 学术背景与研究目标

本研究的科学领域属于柔性电子与传感器技术，具体聚焦于高性能柔性应变传感器的设计与制备。当前，柔性传感器在可穿戴设备、健康监测、软体机器人等领域展现出巨大应用潜力。然而，其性能提升面临一个根本性挑战，即“不可能三角”：高灵敏度（Gauge Factor, GF）、宽应变响应范围和高线性度难以同时实现。传统基于裂纹（Crack）机制的传感器虽然能获得极高的灵敏度，但其裂纹结构在较大应变下（通常>10%）容易发生不可逆的界面分层或完全断裂，导致信号丢失，限制了其在动态或大变形场景中的应用。这一困境的根源在于，高灵敏度依赖于裂纹结构的失稳与重构，而宽应变范围下的鲁棒性则要求界面高度稳定，这两者之间存在固有矛盾。现有研究，如通过溶剂蒸发构建3D界面或梯度沉积金属层等方法，虽取得进展，但仍受限于线性度不佳、裂纹结构随机或应变范围与灵敏度的折衷。

因此，本研究旨在打破这一“不可能三角”，开发一种同时具备亿级超高灵敏度、宽应变响应范围（>100%）和优异线性度的新型柔性应变传感器。其核心策略是提出并实现一种“3D超界面”（3D super-interface）结构设计，通过协同微观/纳米级物理锚定和界面氢键相互作用，在导电裂纹层与橡胶基底之间建立强韧的三维界面结合，从而在保证裂纹结构提供超高灵敏度的同时，确保在大应变下导电网络的连续性。

三、 详细研究流程与方法

本研究的工作流程系统性地涵盖了材料设计、器件制备、结构表征、性能测试、机理分析和应用验证等多个环节。

第一， 材料与传感器（MSFS）的制备。 研究以羧基化丁苯橡胶（XSBR）乳胶作为柔性基底材料。首先，将XSBR乳胶浇铸在聚四氟乙烯（PTFE）模具中，在烘箱中硫化形成稳定的橡胶基底薄膜。关键的创新步骤在于构建“3D超界面”和裂纹导电层。研究人员制备了两种功能性浆料：1）柔性过渡层浆料：将非离子型聚丙烯酰胺（PAM）和羧甲基纤维素钠（CMC）按特定比例（如5:5）溶于去离子水形成混合溶液，然后均匀分散羧基化单壁碳纳米管（SWCNTs），形成SWCNTs@PAM/CMC导电前驱体。2）裂纹层浆料：在另一份PAM/CMC混合溶液中，加入银纳米线（AgNWs）分散液，形成AgNWs@PAM/CMC导电前驱体。器件的制备采用逐层浇铸法：首先在硫化好的XSBR基底上涂覆SWCNTs@PAM/CMC层作为柔性粘结层（厚度约2-3微米），随后在其上涂覆AgNWs@PAM/CMC层作为裂纹敏感层（厚度约20微米）。每涂覆一层均在50°C下干燥。完全干燥后，将复合薄膜切割成条状（如50mm x 10mm x 2mm），并在70°C下进一步干燥。随后，通过一个关键的预弯曲步骤来诱导受控裂纹：将条状薄膜沿特定曲率（如曲率半径为1）的金属圆柱体弯曲，冷却至室温后，裂纹结构得以稳定形成，最终制得微裂纹超界面柔性传感器（Microcrack super-interface flexible sensor, MSFS）。

第二， 结构表征与界面分析。 为了验证“3D超界面”的形成和结构调控，研究团队进行了系列精细表征。通过原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）对比了原始XSBR表面和去除导电层后的改性XSBR表面的形貌与粗糙度，发现改性后表面粗糙度提升了22倍，达到约400 nm，这为物理锚定提供了更大的比表面积。利用傅里叶变换红外光谱-衰减全反射模式（FTIR-ATR）分析了PAM/CMC与XSBR界面处的化学相互作用。光谱显示，随着测试深度接近界面（即PAM/CMC层厚度从5μm减至1μm），-NH₂和-COOH的特征峰发生明显红移，证明了界面处氢键的形成。X射线光电子能谱（XPS）进一步证实了界面处化学环境的变化。此外，通过AFM纳米压痕技术测量了不同PAM/CMC比例复合薄膜的表面模量，揭示了从70 GPa（PAM:CMC = 7:3）到7.7 GPa（1:9）的可调范围，这直接关联到后续裂纹形貌的控制。

第三， 裂纹结构调控与传感性能测试。 研究系统探索了PAM/CMC比例对裂纹形貌和传感器性能的影响。通过SEM观察发现，高模量的PAM/CMC复合层（如7:3比例）在拉伸下形成网状裂纹，而中等模量（如3:7）则倾向于形成平行排列的裂纹。低模量样品（如1:9）虽能形成有序裂纹，但因界面结合弱，在30%应变下即发生分层。性能测试方面，使用高精度数字万用表（Keithley DMM6500）和力学测试平台，系统测量了MSFS在不同应变下的电阻变化（ΔR/R₀），并计算了应变系数（GF）。重点测试了0-10%微应变范围内的灵敏度、线性度（R²），以及高达100%以上大应变下的响应稳定性。循环稳定性测试在4%应变下进行了超过10,000次，在50%应变下进行了1,000次。此外，还测试了传感器在不同湿度（30%， 75%， 95% RH）和温度（室温至80°C）环境下的基线稳定性，以及其对弯曲、折叠等复杂变形的响应。

第四， 传感机理研究与理论建模。 结合3D光学轮廓仪和SEM，研究人员动态观察了MSFS在拉伸过程中裂纹结构的演变（从0%到50%应变）。在阶段Ⅰ（<10%应变），微裂纹迅速张开和扩展，导致电阻急剧变化，这是超高灵敏度的来源。在阶段Ⅱ（>10%应变），裂纹扩展至“3D超界面”层时被有效抑制，SWCNTs构成的导电网络保证了信号的连续传输，从而实现了宽应变范围。基于此，研究提出了一个等效电路模型来描述传感过程：在小应变阶段，传感器电阻主要由AgNWs裂纹层电阻（R₁）主导；在大应变阶段，当裂纹完全张开后，电阻主要由SWCNTs超界面层电阻（R₂）主导。并推导出GF的理论计算公式（GF = R₂/(R₁·Δε)），该模型与不同PAM/CMC比例传感器的实验数据吻合良好（误差在10%以内）。

第五， 应用验证。 为展示MSFS的实际应用潜力，研究进行了两类演示：1）人体生理信号与运动监测：将MSFS贴附于喉结、手腕脉搏、手指、肘关节、膝关节等部位，成功监测了吞咽动作、静息与运动状态下的脉搏信号（心率变化）、以及各关节弯曲时产生的电阻信号，信号强度高且可重复。还模拟了睡眠呼吸监测，能够区分正常呼吸和突发性急促呼吸。2）电池膨胀监测：将MSFS贴附于硅负极电池表面，在电池充放电循环中实时监测其微膨胀。实验结果显示，当电池膨胀约2.3%时，MSFS的相对电阻变化高达22倍，且电阻变化与电池膨胀过程高度同步，即使在电池温度未明显升高时也能有效监测膨胀，展示了其在电池安全预警方面的应用价值。

四、 主要研究结果

1. 成功构建了具有“3D超界面”的MSFS：通过表面微纳结构设计和PAM/CMC与XSBR间的氢键相互作用，在导电层与橡胶基底间形成了强韧的三维界面结合，有效防止了大应变下的分层。
2. 实现了裂纹形貌的精准调控：通过调整PAM/CMC比例，可控地改变了导电层的模量和断裂韧性，从而获得了从网状到平行排列的不同裂纹形貌。其中，5:5比例的PAM/CMC取得了最佳平衡。
3. 打破了柔性传感器的“不可能三角”：基于5:5比例PAM/CMC的MSFS在0-10%应变范围内实现了惊人的1.1×10⁸（1.1亿）的应变系数（GF），线性度（R²）高达0.98，同时应变响应范围超过100%。其性能远超文献中报道的同类先进传感器。
4. 阐明了“两阶段”传感机制：阶段Ⅰ（<10%应变）：微裂纹扩展主导，提供超高灵敏度。阶段Ⅱ（>10%应变）：“3D超界面”层维持导电通路，保证宽应变范围内的信号连续性。SEM和3D光学成像直观展示了裂纹从产生、扩展到被界面层抑制的全过程。
5. 验证了卓越的稳定性与环境适应性：传感器在10,000次4%应变循环和1,000次50%应变循环后，性能保持稳定。在不同湿度、温度环境下基线电阻稳定，并能承受快速弯曲和折叠。
6. 提出了有效的理论模型：建立的等效电路和GF计算公式成功预测了不同结构传感器的性能趋势，为传感器定制化设计提供了理论指导。
7. 展示了广泛的应用潜力：在人体健康监测（微应变）和电池安全预警（微变形）两个典型场景中，MSFS均表现出高灵敏度、强信号和良好的稳定性。

五、 研究结论与价值

本研究成功提出并验证了一种基于“3D超界面”策略的新型柔性应变传感器设计范式。该工作不仅制备出性能指标突破性的传感器件，更重要的是为解决柔性传感器领域长期存在的灵敏度与应变范围之间的权衡难题提供了创新性的解决方案。其科学价值在于深入揭示了通过构建三维互穿/锚定界面来协同调控裂纹动力学与界面稳定性的机理，为高性能柔性电子器件的界面工程提供了新思路。应用价值方面，MSFS的超高灵敏度使其能够检测喉结吞咽、脉搏等极其微弱的生理信号，而宽应变范围又使其适用于关节运动等大变形监测，这种“全尺度”感知能力在健康监测、人机交互、软体机器人感知等领域具有重要应用前景。特别是在电池膨胀监测方面的成功演示，为锂电池等能源设备的安全状态实时、原位监测提供了一种全新的非侵入式技术途径。

六、 研究亮点

1. 性能突破：首次在单一柔性应变传感器上同时实现了亿级超高灵敏度（GF > 10⁸）、宽应变范围（>100%）和高线性度（R² > 0.98），打破了该领域的“不可能三角”。
2. 概念创新：提出了“3D超界面”这一核心设计策略，通过微纳物理锚定与化学氢键的协同作用，实现了导电裂纹层与弹性基底之间既强又韧的结合，这是区别于传统二维平面粘附的关键创新。
3. 机理明晰：通过多尺度表征手段，清晰阐明了传感器“两阶段”工作的物理机制，并建立了与之匹配的理论模型，实现了从“现象”到“机理”再到“预测”的完整认知闭环。
4. 工艺可控：通过调节PAM/CMC比例这一简单易行的方法，实现了对导电层模量、裂纹形貌乃至最终传感器灵敏度与应变范围的“按需定制”，具有很好的可扩展性和可重复性。
5. 应用导向明确：研究不仅停留在实验室性能表征，还深入演示了在人体健康监测和工业设备安全预警两个极具现实意义场景中的应用，充分展现了其技术转化潜力。

七、 其他有价值的内容

本研究还引入了“响应灵敏度”（GF_t）的概念，即单位时间内相对电阻的变化率，用以量化传感器对瞬态信号的响应速度。测试表明MSFS的响应灵敏度约为2.1×10⁷/s，表明其对快速变化的应变信号也具有敏锐的响应特性。此外，论文中对实验细节的描述非常详尽，包括材料来源、配方、制备工艺参数等，具有很高的可重复性。作者也提供了所有生成或分析的数据的获取来源，体现了研究的开放性和严谨性。