高靈敏超壓縮生物基炭化材料柔性壓力傳感器的制備及其性能

林美霞， 王嘉雯， 肖 爽， 王曉云， 劉 皓， 何 崟

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300387；2. 天津工業(yè)大學(xué) 智能可穿戴電子紡織品研究所， 天津 300387)

柔性傳感器因其在健康監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)[1]、人機(jī)交互和智能軟體機(jī)器人[2]等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而受到越來(lái)越多的關(guān)注。柔性力學(xué)傳感材料是實(shí)現(xiàn)智能可穿戴紡織品的關(guān)鍵要素，受外部條件或內(nèi)部狀態(tài)的影響而改變其自身的性質(zhì)來(lái)適應(yīng)外界環(huán)境的變化[3]。早期的傳感器僅是作為電信號(hào)傳輸工具，現(xiàn)在則主要用于制備能夠感知應(yīng)變、應(yīng)力及氣體參數(shù)變化的柔性傳感器[4]。通常，柔性力學(xué)傳感材料會(huì)涉及敏感材料和電子器件結(jié)構(gòu)的柔性化設(shè)計(jì)[5]。柔性化設(shè)計(jì)主要采用柔韌性好、透明度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的合成聚合物，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚酰亞胺(PI)等[6]。敏感材料主要有金屬、金屬氧化物、半導(dǎo)體應(yīng)變片、有機(jī)聚合物和復(fù)合材料等。盡管通過(guò)在敏感材料中構(gòu)造微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)大大提高了設(shè)備的靈敏度，如彎曲褶皺結(jié)構(gòu)[7]、多孔結(jié)構(gòu)[8]、納米裂縫[9]、仿生表面微結(jié)構(gòu)[10]等，但微觀結(jié)構(gòu)的精細(xì)制造過(guò)程復(fù)雜又耗時(shí)，且材料的可壓縮性相當(dāng)有限。此外，合成聚合物基底通常是不環(huán)?；虿豢山到獾??；陔娮赢a(chǎn)品廢料處理和環(huán)境污染問(wèn)題日益突出的現(xiàn)狀，探索開(kāi)發(fā)可再生、可持續(xù)、生態(tài)友好的綠色電子設(shè)備是非常有必要的。

自然界中的生物基材料儲(chǔ)量豐富，成本低，具有良好生物兼容性、可降解性、可持續(xù)性等特點(diǎn)。與石墨烯、碳納米管等材料相比，來(lái)自天然生物材料的碳基材料，因其優(yōu)異的柔韌性、生物相容性及環(huán)境友好性引起了人們的廣泛關(guān)注。生物基碳?xì)饽z不僅具有氣凝膠的質(zhì)輕、低密度、高孔隙率、高比表面積的特征及碳材料優(yōu)良的導(dǎo)電性、耐熱性，還具有生物質(zhì)材料的生物兼容性與可降解性，成為近年來(lái)功能性納米材料領(lǐng)域的研究熱門(mén)對(duì)象之一[11]。它們被認(rèn)為是制備綠色環(huán)保設(shè)備、傳感器和超級(jí)電容器[12-13]有前途的候選者。其中，可再生、可持續(xù)的天然木材，具有天然的三維層狀微結(jié)構(gòu)及各向異性結(jié)構(gòu)。有研究通過(guò)簡(jiǎn)單的化學(xué)處理從天然木材中去除木質(zhì)素和半纖維素，得到了具有彈性拱形結(jié)構(gòu)的木材氣凝膠，炭化后具有壓阻效應(yīng)[14]。最近，Qi等[15]開(kāi)發(fā)了新型透明導(dǎo)電木氣凝膠，透光率為90%，應(yīng)變高達(dá)80%，表現(xiàn)出對(duì)應(yīng)變/觸摸的優(yōu)異的感測(cè)行為，可以用來(lái)檢測(cè)微弱壓力。這些最新的研究表明，利用天然木材的分層多孔結(jié)構(gòu)制備工藝簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保可持續(xù)、低成本高性能的炭化木氣凝膠是可行的。

基于此，本文以巴爾杉木為原料，采用自上而下的方法，即生物質(zhì)直接炭化法，制備聚氨酯/炭化木氣凝膠復(fù)合導(dǎo)電材料，對(duì)其獨(dú)特的超壓縮分層結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行研究，分析其力學(xué)性能、電學(xué)性能、壓力傳感性能。最后將其應(yīng)用到智能紡織品領(lǐng)域，制成具有可持續(xù)性、綠色環(huán)保的柔性壓力傳感器，用于監(jiān)測(cè)咽喉、脈搏等部位的細(xì)微運(yùn)動(dòng)，以及手指、膝蓋等部位的大幅度運(yùn)動(dòng)，可監(jiān)測(cè)人體生理健康，在智能可穿戴設(shè)備領(lǐng)域顯示出可觀的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

巴爾杉木，中國(guó)廣州新木科巴爾杉木貿(mào)易有限公司；熱塑性聚氨酯(TPU)，市售；氫氧化鈉(NaOH)和N，N-二甲基乙酰胺(DMF)，中國(guó)天津科美爾化學(xué)試劑有限公司；亞硫酸鈉(Na2SO3)、雙氧水(H2O2，30%)，中國(guó)天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司。

1.2 炭化木氣凝膠的制備

以巴爾杉木為原料，采用自上而下的方法直接炭化制備炭化木氣凝膠。首先，配制濃度為2.5 mol/L 的NaOH和濃度為0.4 mol/L的Na2SO3的混合溶液，將巴爾杉木切成規(guī)格為1.5 cm×1.5 cm× 1.5 cm的正方體，在100 ℃溫度條件下加熱處理10 h， 去除木塊中的半纖維素。然后，使用蒸餾水將附著在木塊上的化學(xué)物質(zhì)沖洗干凈。其次，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的H2O2溶液，將沖洗干凈的木塊在100 ℃條件下處理4 h，去除木塊中的木質(zhì)素。用蒸餾水洗滌樣品至中性后，冷凍干燥10 h，得到木氣凝膠。最后，為獲得導(dǎo)電木氣凝膠，將樣品置于G08163型管式爐(天津中環(huán)實(shí)驗(yàn)爐有限公司)進(jìn)行炭化。步驟如下：在氮?dú)鈿夥?氣體流量為200 mL/min， 純度為99.999%)下，以3 ℃/min的加熱速率加熱到800 ℃， 在800 ℃下保持1 h之后開(kāi)始降溫，待溫度降至300 ℃時(shí)，關(guān)掉管式爐，隔天取出樣品，得到炭化木氣凝膠。

1.3 聚氨酯/炭化木氣凝膠壓力傳感器制備

首先，在DMF溶液中分別加入2、4、6 g聚氨酯顆粒，在50 ℃磁攪拌條件下處理8 h，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%、4%和6%的聚氨酯溶液。為使聚氨酯均勻覆蓋在炭化木氣凝膠的表面，采用浸泡、抽吸過(guò)濾干燥的方法將其均勻附著在炭化木氣凝膠的表面。具體步驟如下：首先，將炭化木氣凝膠在聚氨酯溶液中浸泡5 min使其充分吸收，然后使用濾紙進(jìn)行抽濾。在重復(fù)上述步驟3次后，將其放到80 ℃的真空干燥箱中保持2 h，干燥樣品，得到2%、4%和6%聚氨酯/炭化木氣凝膠。采用輕薄的導(dǎo)電銅膠帶作為電極，粘貼在聚氨酯/炭化木氣凝膠可壓縮的上下兩面，形成三明治結(jié)構(gòu)。然后，將其與單面黏合襯集成，封裝形成柔性壓力傳感器，其制備流程如圖1所示。

圖1 聚氨酯/炭化木氣凝膠柔性壓力傳感器的制備方法示意圖

1.4 表征與測(cè)試

1.4.1 結(jié)構(gòu)與性能測(cè)試

表面形貌與結(jié)構(gòu)觀測(cè)：采用日立S4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM，Gemini SEM 500)對(duì)天然木塊、木氣凝膠以及聚氨酯/炭化木氣凝膠的表面形貌進(jìn)行觀察，測(cè)試前對(duì)樣品進(jìn)行噴金處理。用Micro-XCT型三維微米成像X射線顯微鏡(顯微CT/納米CT，卡爾蔡司(上海)管理有限公司)對(duì)樣品進(jìn)行掃描，用三維重構(gòu)和可視化軟件(ORS Dragonfly)重構(gòu)聚氨酯/炭化木氣凝膠的三維結(jié)構(gòu)。

熱重分析(TGA)測(cè)試：使用STA449F5型綜合熱分析儀TG-DSC，德國(guó)耐馳制造有限公司)測(cè)試炭化前-木氣凝膠以及炭化后-炭化木氣凝膠的熱穩(wěn)定性。在氮?dú)庵幸?0 ℃/min的加熱速率，在30～800 ℃下檢查復(fù)合材料的熱重譜圖。

力學(xué)性能測(cè)試：使用砝碼對(duì)天然木塊和聚氨酯/炭化木氣凝膠施加壓力，作用時(shí)間20 s，測(cè)定天然木塊和聚氨酯/炭化木氣凝膠壓縮性和彈性。使用5969型電子萬(wàn)能強(qiáng)力試驗(yàn)機(jī)(美國(guó)英斯特朗公司)測(cè)試不同聚氨酯濃度下氣凝膠復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變情況。

電學(xué)性能測(cè)試：使用ST2263型雙電測(cè)數(shù)字式四探針測(cè)試儀(蘇州晶格電子有限公司)，采用四探針?lè)▽?duì)不同聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的氣凝膠復(fù)合材料的板面電阻進(jìn)行測(cè)試。

1.4.2 壓力傳感性能測(cè)試

利用自主研發(fā)的柔性傳感器性能檢測(cè)系統(tǒng)(由天平、數(shù)字萬(wàn)用表(Keysight 34410A)和計(jì)算機(jī)組成)測(cè)試聚氨酯/炭化木氣凝膠復(fù)合材料的壓力傳感性能。其中包括靈敏度、遲滯性和穩(wěn)定性。

靈敏度是指?jìng)鞲胁牧系妮敵隽孔兓c輸入量變化在穩(wěn)定工作狀態(tài)下的比值。壓阻型傳感材料的靈敏度計(jì)算公式如下：

式中：S為靈敏度，kPa-1；ΔR為電阻變化值，Ω；R為受壓時(shí)電阻值，Ω；R0為初始電阻值，Ω；P為所受壓強(qiáng)，kPa。

遲滯性是指?jìng)鞲胁牧显谙嗤倪\(yùn)行條件下，輸入量的一個(gè)循環(huán)變化過(guò)程，即從小到大再?gòu)拇蟮叫?，其輸入和輸出特性曲線沒(méi)有重合的現(xiàn)象。壓阻型傳感材料的遲滯率γR計(jì)算公式如下：

式中：ΔHmax為一個(gè)壓縮-釋放過(guò)程電阻變化率的最大誤差值；YFs為滿(mǎn)量程電阻變化率。

柔性壓力傳感器的穩(wěn)定性包括重復(fù)性和重復(fù)性誤差。重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟诩虞d-卸載工作過(guò)程中能夠準(zhǔn)確工作的次數(shù)。重復(fù)性誤差是指?jìng)鞲衅髟谥貜?fù)加載-卸載過(guò)程中每次輸出數(shù)據(jù)之間的誤差。高重復(fù)性、低重復(fù)性誤差的傳感器穩(wěn)定性更好。

1.4.3 柔性壓力傳感器的人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)

使用制成的聚氨酯/炭化木氣凝膠柔性壓力傳感器對(duì)人體微弱生理信號(hào)及大幅度運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。首先，將柔性壓力傳感器固定于人體喉嚨部位，對(duì)人體聲音進(jìn)行識(shí)別；然后將其固定在口罩上，對(duì)人體呼吸進(jìn)行監(jiān)測(cè)；最后分別將其固定于人體的手指關(guān)節(jié)部位、膝蓋部位、手肘部位和手腕部位，對(duì)人體的大幅度彎曲運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌與結(jié)構(gòu)分析

圖2示出天然木塊、木氣凝膠以及炭化木氣凝膠的SEM照片。可以看出：天然木塊的孔徑大小不一，具有分級(jí)多孔格狀結(jié)構(gòu)；在除去木質(zhì)素和半纖維素之后，木塊的細(xì)胞壁受到損壞而坍塌，但其纖維素納米纖維的排列并沒(méi)有被破壞而是保留了下來(lái)，獲得了具有鋸齒狀的層狀木氣凝膠；炭化后，炭化木氣凝膠在不同方向上均有收縮，顯示了更緊密的拱形層狀結(jié)構(gòu)，有利于獲得具有優(yōu)異壓縮性能的氣凝膠。

圖2 不同階段樣品的SEM照片

為進(jìn)一步分析聚氨酯/炭化木氣凝膠的三維多孔分層結(jié)構(gòu)，利用Micro-XCT三維微米成像X射線顯微鏡對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)掃描，使用Dragonfly軟件重建二維投影以及三維重構(gòu)。選擇由541個(gè)z-stack圖像組成的子體積進(jìn)行孔隙度評(píng)估。

圖3示出聚氨酯/炭化木氣凝膠的骨架部分與孔隙部分?？梢钥闯銎渚哂歇?dú)特的三維拱形分層結(jié)構(gòu)。通過(guò)數(shù)據(jù)定量分析得出，聚氨酯/炭化木氣凝膠孔隙率為55.73%，其中連通孔隙占55.7%，不連通孔隙占比僅為0.03%。這表明氣凝膠的大多數(shù)孔隙是廣泛互聯(lián)的，有利于聚氨酯的滲透。

圖3 聚氨酯/炭化木氣凝膠骨架與孔隙結(jié)構(gòu)

2.2 氣凝膠熱穩(wěn)定性分析

TGA測(cè)試結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，氣凝膠在炭化之后熱穩(wěn)定性更好。已知木氣凝膠在經(jīng)過(guò)化學(xué)處理后，去除了天然木塊中的木質(zhì)素和半纖維素，留下了纖維素。由圖可知，炭化前的木氣凝膠在224.54 ℃時(shí)開(kāi)始熱分解，在500 ℃之內(nèi)發(fā)生了顯著的質(zhì)量損失現(xiàn)象，質(zhì)量減少56.96%，在該范圍內(nèi)纖維素?zé)崃呀馍尚》肿託怏w和大分子的揮發(fā)而造成明顯質(zhì)量損失。木氣凝膠在800 ℃之內(nèi)，質(zhì)量減少達(dá)到了67.85%。而炭化后的炭化木氣凝膠在360.86 ℃時(shí)才開(kāi)始發(fā)生質(zhì)量損失，其在800 ℃之內(nèi)，質(zhì)量減少僅為8.92%。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)管式爐的炭化處理后，提高了木氣凝膠的熱穩(wěn)定性。

圖4 炭化前后氣凝膠的TGA曲線

2.3 力學(xué)性能分析

理想的柔性電子傳感材料應(yīng)該具備良好的力學(xué)性能。對(duì)天然木塊及聚氨酯/炭化木氣凝膠進(jìn)行壓縮測(cè)試。表1示出天然木塊和聚氨酯/炭化木氣凝膠在受壓前后的高度變化情況。其中：天然木塊的壓縮應(yīng)變?yōu)?6.7%，在壓縮變形后無(wú)法恢復(fù)原狀，其可壓縮性和彈性都極差；聚氨酯/炭化木氣凝膠應(yīng)變達(dá)87.8%，并壓縮變形后仍可迅速恢復(fù)原狀，展現(xiàn)了其優(yōu)異的可壓縮性和回彈性。

表1 不同材料的壓縮性能

圖5示出炭化木氣凝膠在不同聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。顯然，經(jīng)聚氨酯浸泡處理的炭化木氣凝膠的力學(xué)性能均有所提高；未用聚氨酯浸泡處理的炭化木氣凝膠的力學(xué)性能最差，這表明聚氨酯浸泡處理提高了炭化木氣凝膠的力學(xué)性能。在80%的應(yīng)變范圍內(nèi)，要使聚氨酯/炭化木氣凝膠產(chǎn)生相同程度的應(yīng)變，對(duì)其施加的應(yīng)力會(huì)隨著聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大。這表明聚氨酯/炭化木氣凝膠復(fù)合材料的力學(xué)性能隨著聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而提高。

圖5 炭化木氣凝膠在不同聚氨酯濃度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.4 電學(xué)性能分析

采用四探針?lè)▽?duì)不同聚氨酯濃度下的氣凝膠復(fù)合材料的方阻進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，2%聚氨酯/炭化木氣凝膠的方阻最小，為0.17 kΩ/□，6%聚氨酯/炭化木氣凝膠的方阻最大，49.47 kΩ/□，并且其方阻隨聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大。此外，2%聚氨酯/炭化木氣凝膠的方阻誤差最小，而6%聚氨酯/炭化木氣凝膠的方阻誤差最大，這與聚氨酯在炭化木氣凝膠表面涂覆的均勻程度有關(guān)，聚氨酯濃度越高，其黏度越高，越易在某處產(chǎn)生堆積，使某處的方阻變大。由于4%聚氨酯/炭化木氣凝膠具有良好的力學(xué)性能，且其板面電阻及電阻誤差較小，導(dǎo)電性好，選用4% 聚氨酯/炭化木氣凝膠作為后續(xù)柔性力學(xué)傳感材料。

2.5 壓力傳感性能分析

圖6示出聚氨酯/炭化木氣凝膠復(fù)合材料在不同聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的相對(duì)電阻變化曲線，曲線的斜率代表壓力傳感器的靈敏度。從圖中可以看出其檢測(cè)范圍是0～60 kPa，根據(jù)壓力分布，將圖表分為4個(gè)區(qū)域。其中：低壓下較高的斜率意味著較高的靈敏度，在1～2 kPa的低壓范圍內(nèi)，4%聚氨酯/炭化木氣凝膠復(fù)合導(dǎo)電材料的靈敏度最高，達(dá)61.02 kPa-1；在2～3 kPa的中壓范圍內(nèi)，其靈敏度為11.65 kPa-1；在3～60 kPa的高壓范圍內(nèi)，其靈敏度為1.08 kPa-1，優(yōu)于2%與6%聚氨酯/炭化木氣凝膠。這表明聚氨酯/炭化木氣凝膠復(fù)合材料在1～60 kPa 的寬檢測(cè)范圍內(nèi)具有高靈敏度。

圖6 2%、4%、6%聚氨酯/炭化木氣凝膠的相對(duì)電阻變化率

圖7示出不同聚氨酯濃度下，聚氨酯/炭化木氣凝膠復(fù)合材料的負(fù)載-卸載循環(huán)相對(duì)電阻變化曲線?？梢钥闯?，所有樣品都存在一定的滯后性，表明聚氨酯/炭化木氣凝膠在壓縮時(shí)的機(jī)械響具有典型的黏彈性行為，這與聚氨酯的固有黏彈性有關(guān)。其中，2%、4%、6%聚氨酯/炭化木氣凝膠的遲滯率分別為4.06%、4.87%、7.44%，由此可知，聚氨酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小，遲滯率越低。在聚氨酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%和4%時(shí)，該復(fù)合材料具有較低遲滯率，低于大多數(shù)的傳感材料?；诰郯滨?炭化木氣凝膠的柔性壓力傳感器具有低遲滯率，這對(duì)于柔性壓力傳感器的實(shí)際應(yīng)用是非常重要的，特別是在動(dòng)態(tài)應(yīng)力的情況下。總之，傳感器的這些優(yōu)點(diǎn)可以歸因于低濃度的聚氨酯溶液具有較小的黏彈性。

為進(jìn)一步研究柔性壓力傳感器的耐久性和穩(wěn)定性，選擇靈敏度和遲滯性較好的4%聚氨酯/炭化木氣凝膠柔性壓力傳感器進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試，在傳感器上施加5 kPa的加載/卸載壓力并重復(fù)10 000次循環(huán)，連續(xù)記錄傳感器的電阻變化，測(cè)試結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，在反復(fù)加載-卸載循環(huán)后，基線電阻沒(méi)有明顯漂移，從而證明了該傳感器的魯棒性和耐用能力。

圖8 4%聚氨酯/炭化木氣凝膠的重復(fù)性

2.6 人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

圖9示出使用4%聚氨酯/炭化木氣凝膠制成的柔性壓力傳感器對(duì)人體的微弱生理信號(hào)及大幅度運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)情況。從圖9(a)可知，其固定在喉嚨部位時(shí)，有清晰、可重復(fù)的電阻信號(hào)，可以區(qū)分說(shuō)不同單詞(如“Sensor”和“Hi”)時(shí)聲帶肌肉產(chǎn)生的微弱生理信號(hào)。這表明該材料可以對(duì)人體發(fā)聲進(jìn)行識(shí)別。如圖9(b)所示，將材料固定于口罩上，對(duì)人體呼吸進(jìn)行監(jiān)測(cè)?？梢钥闯?，該復(fù)合材料可監(jiān)測(cè)到穩(wěn)定的呼吸信號(hào)。在正常呼吸時(shí)其電阻變化率約為30%；運(yùn)動(dòng)后，深呼吸時(shí)其電阻變化率約為60%，約為正常呼吸時(shí)的2倍?？梢?jiàn)該材料不僅可以監(jiān)測(cè)呼吸，還可準(zhǔn)確區(qū)分出不同的呼吸狀態(tài)。

圖9 柔性壓力傳感器的人體生理信號(hào)監(jiān)測(cè)應(yīng)用

綜上分析可知，該柔性壓力傳感器不僅可以用于監(jiān)測(cè)人體喉嚨發(fā)聲、呼吸等微弱生理信號(hào)，還可用于監(jiān)測(cè)人體的大幅度運(yùn)動(dòng)。將該材料分別配置在人體的手指關(guān)節(jié)部位、膝蓋部位、手肘部位和手腕部位監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)，結(jié)果如圖10所示。當(dāng)關(guān)節(jié)部位發(fā)聲運(yùn)動(dòng)，如彎曲或伸直時(shí)，其可產(chǎn)生穩(wěn)定且規(guī)律性的電阻變化信號(hào)，這表明該材料可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體不同部位的大幅度運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定監(jiān)測(cè)。

圖10 柔性壓力傳感器的人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)應(yīng)用

3 結(jié) 論

通過(guò)簡(jiǎn)單環(huán)保的工藝成功地制備了三維超壓縮性、柔軟、高靈敏、低遲滯的聚氨酯/炭化木氣凝膠復(fù)合導(dǎo)電材料，并將其用于人體生理信號(hào)監(jiān)測(cè)與人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)控。得出以下結(jié)論：

1)使用Micro-XCT重構(gòu)了炭化木氣凝膠的三維拱形多孔分層結(jié)構(gòu)，并定量分析出其孔隙率達(dá)到55.73%，具有優(yōu)異的力學(xué)性能。

2)聚氨酯浸泡處理提高了炭化木氣凝膠的力學(xué)性能，使其具有優(yōu)異的可壓縮性和回彈性。聚氨酯/炭化木氣凝膠復(fù)合材料的最大應(yīng)變達(dá)87.8%，且壓縮變形后可迅速恢復(fù)。

3)聚氨酯/炭化木氣凝膠具有良好的壓力傳感性能，其中4%聚氨酯/炭化木氣凝膠具有高靈敏度(61.02 kPa-1)、寬檢測(cè)限(1～60 kPa)、低遲滯率(4.87%)和良好的穩(wěn)定性(10 000次壓縮循環(huán))。

4)采用4%聚氨酯/炭化木氣凝膠制成的柔性力學(xué)傳感器具備人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)控能力，可準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)喉嚨發(fā)聲、呼吸、手指彎曲、膝蓋彎曲、手肘彎曲等人體微弱運(yùn)動(dòng)或大幅度運(yùn)動(dòng)，在智能可穿戴設(shè)備領(lǐng)域顯示出良好的應(yīng)用前景。