隨著無線技術快速發展，柔性可穿戴傳感器在實時健康監測、人機交互和智能醫療領域取得顯著進展。然而，設備微型化和多功能化導致電子元件內部熱量堆積、電磁輻射及結構損傷問題日益凸顯，不僅干擾設備正常使用，更危及人體健康。因此，開發兼具高導熱性（TC）和電磁屏蔽效能（EMI SE）的自愈型聚合物復合材料，成為保障可穿戴傳感器可靠性的關鍵挑戰。

北京化工大學楊丹教授團隊通過聚多巴胺/聚乙烯亞胺共交聯改性石墨烯納米片（XP/G）與水性聚氨酯（WPU）的層層自組裝技術，結合真空過濾和熱壓工藝，成功制備出自愈型復合材料（WXPG）。該材料展現出113.6 W/(m·K)的超高導熱率、67 dB的卓越電磁屏蔽效能及>90%的自愈效率。基于摩擦納米發電機（TENG）原理，團隊進一步開發出可實時監測步態和跌倒的智能鞋墊，為長期可穿戴電子設備提供了革新解決方案。

材料設計與結構表征

研究團隊首創“三明治”結構設計（圖1a）：首先在石墨烯表面沉積帶正電的聚多巴胺/聚乙烯亞胺（P@GNPs），再通過靜電吸附負載帶負電的羧基丁腈橡膠（XNBR）形成XP/G單元。該單元與水性聚氨酯（WPU）通過氫鍵、配位鍵和靜電作用緊密結合，經熱壓后形成類珍珠母貝的致密層狀結構（圖1b）。改性后的XP/G在水中可穩定分散48小時以上（圖2a），拉曼光譜與X射線衍射證實其缺陷減少且層間距擴大至0.337 nm（圖2b,g），有效抑制了石墨烯堆疊問題。

圖1. WXPG復合材料的制備流程與功能示意圖 a) 合成路徑示意圖 b) 可穿戴柔性傳感器功能圖示（含自愈/熱管理/電磁屏蔽/步態監測） 

圖2. XP/G的微觀結構與性能 a) GNPs與XP/G水溶液靜置48小時分散狀態 b) 拉曼光譜對比 c) 傅里葉變換紅外光譜對比 d) XPS全譜及C 1s窄譜 e) SEM圖像與C/O/N元素面分布圖 f) 熱重分析曲線 g) X射線衍射圖譜 h) 水介質中Zeta電位 

力學性能與自愈機制

材料力學性能驚艷——僅0.4 mm厚的WXPG?復合材料可承載1 kg重量（圖3c-i），折疊后無裂紋（圖3c-ii）。XP/G含量達28%時，拉伸強度高達66.7 MPa，是純WPU的3倍（圖3e）。更值得注意的是其自愈能力：120°C加熱1小時后，表面劃痕完全消失（圖3d），力學性能恢復率達90%以上（圖3e）。該特性源于WPU鏈的熱驅動遷移及氫鍵/配位鍵的動態重建，為可穿戴設備長期服役奠定基礎。

圖3. WXPG復合材料的微觀結構與力學性能 a) 斷裂面SEM圖像：i) WXPG5, ii) WXPG16, iii) WXPG28 b) 氫鍵/配位鍵/靜電相互作用示意圖 c-i) 0.4mm厚樣品承載1kg照片 c-ii) 彎曲與折疊狀態照片 d) 120°C自愈過程光學圖像 e) 原始與自愈后拉伸應力-應變曲線 f) 頂面XRD圖譜 g) 2D廣角X射線散射圖 h) 徑向積分曲線 

導熱與電磁屏蔽雙突破

WXPG??復合材料創下113.6 W/(m·K)的面內導熱紀錄（圖4a），較純WPU提升57倍，遠超多數已報道聚合物基材料（圖4d）。其電磁屏蔽效能同樣耀眼：100 μm厚度下屏蔽效能達67 dB（圖5b），比效能值高達675 dB/mm（圖5d），相當于僅需1.5 mm厚度即可屏蔽99%電磁波。機制研究表明（圖5e），層狀結構通過多次反射和吸收衰減電磁波，吸收貢獻占比超60%（圖5f）。材料受損后，兩項性能仍可恢復至原值的90%。

圖4. 熱導性能表征 a) 面內與面外熱導率隨XP/G含量變化 b) 熱傳導機制示意圖 c) 實測值與理論模型預測對比 d) 與已報道熱管理材料性能對比 e) 原始/自愈后熱導率對比 f) 不同電壓下表面溫升曲線 g) 升溫/降溫溫度-時間曲線 h) 紅外熱成像圖（WPU膜/WXPG28/PI膜） 

圖5. 電磁屏蔽性能 a) 電導率隨含量變化 b) EMI屏蔽效能曲線 c) 不同厚度下的屏蔽效能 d) 比屏蔽效能對比 e) 屏蔽機制示意圖 f) 總屏蔽效能/吸收損耗/反射損耗 g) 原始/自愈后屏蔽效能 h) 無線充電系統屏蔽效果測試 

智能鞋墊落地醫療監護

團隊將WXPG??制成摩擦納米發電機電極（圖6a），其壓力靈敏度達7.693%/kPa（圖6b），響應時間僅95毫秒。基于此開發的智能鞋墊（圖7a）在鞋掌/鞋跟布置雙傳感器，精準捕捉步態四階段：腳跟觸地→腳尖觸地→腳跟離地→腳尖離地（圖7b-c）。實驗顯示，該系統可區分慢走、快走、上下樓、跳躍等動作（圖7d-e），并在跌倒時觸發異常電流峰實現緊急報警（圖7f）。結合卷積神經網絡算法，步態識別準確率達100%（圖7h）。

圖6. WXPG28基摩擦納米發電機性能 a) 結構及工作原理 b) 壓力靈敏度曲線 c) 50Pa壓力響應 d) 原始/自愈輸出電壓對比 e) 腕關節彎曲響應 f) 肘關節彎曲響應 g) 3600次循環穩定性 

圖7. 智能步態識別系統 a) 鞋墊傳感器布局 b) 步態周期四階段示意 c) 正常行走電流信號 d) 不同步速電流特征 e) 跳躍/上下樓電流特征 f) 跌倒過程電流信號 g) CNN步態識別流程圖 h) 混淆矩陣結果 i) 訓練準確率變化曲線

總結與展望

該研究通過創新性層狀結構設計，同步攻克可穿戴設備的散熱、電磁屏蔽與耐久性難題。智能鞋墊在步態識別與跌倒監測中的成功應用，驗證了材料在實時人機交互和個性化醫療中的巨大潛力。隨著導熱/電磁屏蔽與自愈功能的協同突破，此類材料有望推動下一代柔性電子設備向長效化、智能化方向跨越發展。