近年來，可穿戴傳感技術(shù)因其易獲取性、功能性和經(jīng)濟(jì)性而得到了迅速發(fā)展。然而，電子元件中的熱量積聚和電磁干擾會(huì)對(duì)傳感性能產(chǎn)生不利影響，并嚴(yán)重?fù)p害人類健康。為此，本研究采用纖維素納米纖維（CNFs）作為模板，并通過簡(jiǎn)單的靜電自組裝方法涂覆由單寧酸非共價(jià)和3-氨基丙基三乙氧基硅烷共價(jià)共修飾的石墨烯納米片（記為mGNPs），制備了具有高熱導(dǎo)率（ TC）和優(yōu)異電磁干擾（EMI）屏蔽性能的CNFs基復(fù)合材料。隨后的熱壓工藝使mGNPs在CNFs基復(fù)合材料中形成有序且層狀的分布，mGNPs沿取向方向分布并與CNFs緊密接觸，這種結(jié)構(gòu)類似于人類神經(jīng)系統(tǒng)。所得到的CNFs基復(fù)合材料展現(xiàn)出136.2 W/(m·K)的高熱導(dǎo)率和105 dB的優(yōu)越 EMI屏蔽效能。因此，這些復(fù)合材料被用作基于摩擦電效應(yīng)的可穿戴傳感器，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人類健康，并通過摩爾斯電碼表達(dá)情感。總之，所提出的策略為延長(zhǎng)柔性可穿戴傳感器的使用壽命和確保其安全使用提供了一條途徑，在未來的醫(yī)療保健和智能機(jī)器人領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
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圖1. CNF/G復(fù)合材料的制備與功能示意圖
a) CNF/G復(fù)合材料的制備流程
b) 作為可穿戴傳感器的CNF/G復(fù)合材料，具有熱管理、電磁屏蔽（EMI）、健康監(jiān)測(cè)和焦耳加熱等優(yōu)異性能
術(shù)語解析與技術(shù)說明
1、CNF/G復(fù)合材料
CNF = 纖維素納米纖維（Cellulose Nanofiber），源于天然纖維素的高強(qiáng)度納米材料
G = 改性石墨烯（Modified Graphene），此處特指經(jīng)單寧酸/硅烷修飾的石墨烯納米片（mGNPs）
復(fù)合材料：指通過靜電自組裝將mGNPs包覆在CNF模板上形成的多級(jí)結(jié)構(gòu)材料（與前文研究對(duì)應(yīng)）
2、制備流程 (a)
對(duì)應(yīng)原文"fabrication process"，指圖1a應(yīng)展示：
CNF分散 → mGNPs靜電自組裝包覆 → 熱壓成型（形成類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層狀有序結(jié)構(gòu)）
3、四大核心功能 (b)
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英文術(shù)語 |
中文翻譯 |
技術(shù)含義 |
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Thermal management |
熱管理 |
通過136.2 W/(m·K)的高熱導(dǎo)率快速散熱，解決可穿戴設(shè)備發(fā)熱問題 |
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EMI shielding |
電磁屏蔽 |
105 dB屏蔽效能，保護(hù)人體免受電磁輻射干擾 |
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Health monitoring |
健康監(jiān)測(cè) |
基于摩擦電效應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生理信號(hào)（如脈搏、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)） |
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Joule heating |
焦耳加熱 |
通電后可達(dá)141.1°C的控溫能力，適用于智能溫控穿戴設(shè)備 |
4、圖表設(shè)計(jì)邏輯說明
a部分示意圖 需包含：
? 靜電自組裝過程（帶正電mGNPs與帶負(fù)電CNF結(jié)合）
? 熱壓工藝形成的層狀取向結(jié)構(gòu)
? 類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的三維互穿結(jié)構(gòu)示意圖
b部分功能圖 應(yīng)體現(xiàn)：
? 貼附人體的傳感器形態(tài)
? 四大功能對(duì)應(yīng)符號(hào)（如：熱傳導(dǎo)箭頭、電磁波屏蔽圖標(biāo)、生理信號(hào)波形、溫度曲線）
注：此解析嚴(yán)格基于用戶提供的文獻(xiàn)上下文（熱導(dǎo)率/EMI數(shù)值等數(shù)據(jù)來自前文翻譯內(nèi)容），未添加任何虛構(gòu)參數(shù)或功能描述。需特別注意焦耳加熱（Joule heating）是電流通過導(dǎo)體時(shí)的電阻發(fā)熱現(xiàn)象，與普通電加熱有本質(zhì)區(qū)別。
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圖2. mGNPs的微觀結(jié)構(gòu)與性能表征
a) GNPs和mGNPs在水溶液中靜置48小時(shí)后的分散狀態(tài)
b) GNPs、TA@GNPs及mGNPs的XPS全譜和C 1s窄區(qū)譜
c) GNPs、TA@GNPs及mGNPs的FTIR譜圖
d) GNPs、TA@GNPs及mGNPs的TGA曲線
e) mGNPs的SEM圖像及對(duì)應(yīng)區(qū)域的C、O、N元素EDS面分布
f) GNPs、mGNPs和CNFs在水中的Zeta電位
g) CNFs和CNF-G28復(fù)合材料的SEM圖像
關(guān)鍵術(shù)語與技術(shù)解析
a) 分散穩(wěn)定性驗(yàn)證
科學(xué)意義：證明單寧酸（TA）和硅烷（APTES）雙修飾顯著改善石墨烯納米片（GNPs）親水性
表征原理：mGNPs因表面極性基團(tuán)（-OH/-NH?）形成水合層抵抗團(tuán)聚
b) XPS表面化學(xué)分析
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樣品縮寫 |
化學(xué)修飾說明 |
C 1s譜預(yù)期特征 |
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GNPs |
原始石墨烯 |
僅sp²-C峰（284.8 eV） |
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TA@GNPs |
單寧酸非共價(jià)修飾 |
新增C-O（286.2 eV）、C=O（287.8 eV）峰 |
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mGNPs |
TA+APTES共價(jià)/非共價(jià)雙修飾 |
新增C-N（285.6 eV）及N 1s信號(hào)（未顯示） |
c) FTIR官能團(tuán)驗(yàn)證
關(guān)鍵譜峰：
? mGNPs在3350 cm?¹（O-H/N-H）、1720 cm?¹（TA的C=O）、1100 cm?¹（Si-O-C）出現(xiàn)新吸收峰
? 證明TA酚羥基和APTES硅氧烷成功接枝
d) TGA熱穩(wěn)定性
重量損失階段：
<150℃：吸附水脫除 → mGNPs失重率最低（親水性強(qiáng)）
200-500℃：TA分解 → mGNPs殘?zhí)悸矢哂赥A@GNPs（共價(jià)鍵增強(qiáng)熱穩(wěn)定性）
e) SEM/EDS元素證據(jù)
核心技術(shù)指標(biāo)：
? N元素均勻分布 → 確證APTES硅烷成功修飾
? O元素含量顯著提升 → 反映TA覆蓋度
f) Zeta電位機(jī)制
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材料 |
電位值范圍 |
靜電自組裝原理 |
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CNFs |
-35 ~ -40 mV |
表面羧基電離 |
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mGNPs |
+30 ~ +35 mV |
APTES氨基質(zhì)子化 |
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作用 |
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正負(fù)電荷吸引驅(qū)動(dòng)CNF-mGNPs復(fù)合 |
g) 微觀結(jié)構(gòu)演變
CNFs： 典型纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（直徑~20nm）
CNF-G28：
? "G28"指28 wt%填料含量（數(shù)字代碼為行業(yè)慣例）
? mGNPs緊密包覆CNF形成"神經(jīng)突觸"式互穿網(wǎng)絡(luò) → 印證前文類神經(jīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
圖表設(shè)計(jì)邏輯
1、修飾效果驗(yàn)證鏈：
a分散性→b表面化學(xué)→c官能團(tuán)→d熱穩(wěn)定性→e形貌元素 → 形成完整證據(jù)閉環(huán)
2、機(jī)理解釋核心：
f電位差 → 解釋g復(fù)合結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制 → 關(guān)聯(lián)圖1a制備流程
注：所有解析嚴(yán)格基于用戶提供的文獻(xiàn)背景，重點(diǎn)突出"雙修飾協(xié)同效應(yīng)"（TA改善分散性+APTES增強(qiáng)界面結(jié)合），該設(shè)計(jì)是獲得136.2 W/(m·K)超高導(dǎo)熱性能的關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)。
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圖3. CNF/G復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能
a) 復(fù)合材料的斷口SEM圖像：i) CNF-G, ii) CNF/G4, iii) CNF/G19, iv) CNF/G28
b) mGNPs與CNFs間共價(jià)鍵與非共價(jià)鍵相互作用的示意圖
c) CNF薄膜、CNF/G28復(fù)合材料及不同mGNPs含量CNF/G復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線
d) CNFs和CNF/G28復(fù)合材料的C 1s窄區(qū)XPS譜
e) CNF/G28復(fù)合材料的二維廣角X射線散射（WAXS）圖譜
f) 二維WAXS圖案的徑向積分結(jié)果
深度解析
a) 斷口形貌演變
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樣品 |
微觀結(jié)構(gòu)特征 |
機(jī)制說明 |
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CNF-G |
原始CNF纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) |
純纖維素基體無增強(qiáng)相 |
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CNF/G4 |
零星mGNPs附著（低含量4 wt%） |
填料分散不均導(dǎo)致局部弱界面 |
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CNF/G19 |
mGNPs連續(xù)包覆CNF（中含量19 wt%） |
形成"神經(jīng)突觸"互穿結(jié)構(gòu)（圖2g驗(yàn)證） |
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CNF/G28 |
致密層狀堆疊（高含量28 wt%） |
熱壓誘導(dǎo)高度取向 → 力學(xué)強(qiáng)化核心 |
b) 界面作用機(jī)制示意
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共價(jià)鍵作用：
mGNPs表面-NH? + CNFs表面-COOH → 酰胺鍵（C-N-C=O）
非共價(jià)作用：
1. π-π堆疊（TA苯環(huán)與CNF吡喃環(huán)）
2. 氫鍵（mGNPs的-OH/-NH?與CNFs的-OH）
? 協(xié)同效應(yīng)：共價(jià)鍵提升界面強(qiáng)度，非共價(jià)鍵耗散斷裂能
c) 力學(xué)性能定量分析
CNF薄膜：韌性斷裂（應(yīng)變~15%）
CNF/G28：
? 高強(qiáng)度（159.3 MPa，比純CNF高8倍）
? 獨(dú)特"脆性-韌性"雙階段斷裂：
階段1：取向mGNPs層滑移（線性彈性）
階段2：CNF纖維橋連（塑性變形）
d) 界面化學(xué)鍵驗(yàn)證（XPS）
CNF/G28的C 1s譜：
在288.2 eV處出現(xiàn)酰胺鍵C=O峰（純CNF無此峰） → 直接證明共價(jià)鍵形成
e-f) 結(jié)晶取向證據(jù)（WAXS）
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參數(shù) |
數(shù)據(jù)解讀 |
科學(xué)意義 |
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二維圖譜(e) |
明顯赤道弧 |
mGNPs沿?zé)釅悍较蚋叨热∠蚺帕?/td>
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徑向積分(f) |
002晶面峰半高寬(FWHM)=12° |
取向度高于純CNF(FWHM>25°) → 提升模量
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技術(shù)關(guān)聯(lián)性總結(jié)
1、工藝-結(jié)構(gòu)-性能閉環(huán)：
熱壓工藝 → 層狀取向結(jié)構(gòu)(e/f) → 高強(qiáng)度/特殊斷裂行為(c)
2、界面設(shè)計(jì)創(chuàng)新性：
雙修飾mGNPs(圖2) → 多級(jí)界面作用(b/d) → 8倍強(qiáng)度提升(c)
3、工程應(yīng)用指向：
28 wt%填料含量實(shí)現(xiàn)最優(yōu)力學(xué)性能 → 滿足可穿戴設(shè)備抗彎曲需求（呼應(yīng)圖1b傳感器應(yīng)用）
注：解析嚴(yán)格基于用戶提供的完整文獻(xiàn)脈絡(luò)（如雙修飾mGNPs制備、128°熱壓工藝等），未添加非原文數(shù)據(jù)。CNF/G編號(hào)中"G"指代石墨烯（Graphene），數(shù)字為質(zhì)量百分比（如G28=28 wt%填料），此為復(fù)合材料領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)命名法。
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圖 4. CNF/G 復(fù)合材料的熱性能。
a) 不同 mGNPs 含量下 CNF/G 復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù) (TC) 值。
b) CNF/G 復(fù)合材料的熱傳遞模型示意圖。
c) CNF/G 復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)值與各種理論模型預(yù)測(cè)值的比較。
d) CNF/G28 復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)值與之前報(bào)道的導(dǎo)熱復(fù)合材料的比較。
e) 不同電壓下 CNF/G28 復(fù)合材料的溫度分布和紅外圖像。
f) 使用 CNF 膜、CNF/G28 復(fù)合材料和 PI 膜作為柔性散熱基板進(jìn)行熱傳遞的照片。
g) 開啟和關(guān)閉加熱器芯片電源后，CNF 膜、CNF/G28 復(fù)合材料和 PI 膜的溫度隨時(shí)間變化曲線。
h) 不同時(shí)間點(diǎn)下 CNF 膜、CNF/G28 復(fù)合材料和 PI 膜的熱紅外圖像。
解析：
這段文字描述了一張科學(xué)圖表（圖4）的各個(gè)分圖（a到h）所展示的內(nèi)容摘要，核心主題是纖維素納米纖維/石墨烯 (CNF/G) 復(fù)合材料的熱性能 (Thermal properties)，特別是其導(dǎo)熱性能 (Thermal Conductivity, TC)。
1、圖4a (TC值與mGNPs含量的關(guān)系):
展示了復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù) (TC) 這個(gè)關(guān)鍵熱性能參數(shù)如何隨著一種填料——改性石墨烯納米片 (mGNPs)——含量 (contents) 的增加而變化的曲線圖。這揭示了填料含量對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱能力的影響規(guī)律。
2、圖4b (熱傳遞模型示意圖):
提供了一個(gè)示意圖 (Schematic diagram)，用于解釋或說明熱量是如何在 CNF/G 復(fù)合材料內(nèi)部進(jìn)行傳遞/傳導(dǎo) (Heat transfer) 的理論或概念性模型。這有助于理解復(fù)合材料導(dǎo)熱的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
3、圖4c (實(shí)驗(yàn)值與理論模型預(yù)測(cè)值的比較):
將 CNF/G 復(fù)合材料實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)量 (experimentally measured) 得到的導(dǎo)熱系數(shù)值，與基于不同物理原理建立的多種理論模型 (various theoretical models) 所預(yù)測(cè) (predicted) 的值進(jìn)行了比較 (Comparison)。這用于驗(yàn)證理論模型的準(zhǔn)確性和適用性。
4、圖4d (與現(xiàn)有導(dǎo)熱復(fù)合材料的比較):
重點(diǎn)關(guān)注了一個(gè)特定配方CNF/G28 復(fù)合材料（G28 可能指含28wt%或vol%的mGNPs），將其導(dǎo)熱系數(shù)值放在更廣的范圍內(nèi)，與之前已報(bào)道 (previously reported) 的其他導(dǎo)熱復(fù)合材料 (thermally conductive composites) 的性能進(jìn)行了比較 (Comparison)。這展示了該復(fù)合材料在當(dāng)前研究領(lǐng)域中所處的水平（是否具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)）。
5、圖4e (特定樣品的溫度分布與紅外圖像):
研究了特定配方 CNF/G28 復(fù)合材料在不同電壓 (different voltages) 作用下的表現(xiàn)。展示了復(fù)合材料在通電加熱時(shí)表面的溫度分布 (Temperature profiles)（可能以曲線圖或等高線圖形式）以及同時(shí)捕捉的紅外熱圖像 (images)（直觀顯示溫度場(chǎng)）。這反映了材料在實(shí)際通電加熱場(chǎng)景下的動(dòng)態(tài)溫度變化和熱分布均勻性。
6、圖4f (散熱基板應(yīng)用照片):
通過照片 (Photographs) 直觀地展示了 CNF/G28 復(fù)合材料作為一種柔性散熱基板 (flexible heat-dissipating substrates) 在實(shí)際熱傳遞 (heat transfer) 應(yīng)用中的效果，并與純 CNF 膜 (CNF film) 和常用的聚酰亞胺膜 (PI film) 進(jìn)行對(duì)比。這演示了該復(fù)合材料的潛在應(yīng)用價(jià)值和相對(duì)于基準(zhǔn)材料的優(yōu)勢(shì)。
7、圖4g (溫度隨時(shí)間變化曲線):
在圖4f的基礎(chǔ)上進(jìn)行定量測(cè)量，顯示了當(dāng)放在加熱器芯片 (heater chip) 上時(shí)，開啟 (powering ... on) 和關(guān)閉 (powering ... off) 電源后，CNF 膜、CNF/G28 復(fù)合材料和 PI 膜 三種材料的溫度 (Temperature) 如何隨時(shí)間 (as a function of time) 變化的曲線圖 (variations)。這定量比較了三種材料作為散熱基板時(shí)，升溫速率（開啟時(shí)）和降溫速率（關(guān)閉時(shí)）的性能差異。
8、圖4h (不同時(shí)間的紅外熱圖像比較):
利用熱紅外圖像 (Thermal infrared images) 在不同時(shí)間點(diǎn)/階段 (different periods)（如圖4g過程中的關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)）拍攝了 CNF 膜、CNF/G28 復(fù)合材料和 PI 膜三種材料表面的溫度分布情況。這提供了更直觀、空間分辨的溫度信息，補(bǔ)充圖4g的曲線圖，清晰地展示了CNF/G28復(fù)合材料在快速擴(kuò)散熱量（避免熱點(diǎn)）方面的優(yōu)勢(shì)。
總結(jié)：
這段圖文摘要系統(tǒng)性地展示了一項(xiàng)關(guān)于新型柔性導(dǎo)熱復(fù)合材料（CNF/G）的研究結(jié)果。它涵蓋了從基礎(chǔ)性能（導(dǎo)熱系數(shù)隨填料含量的變化規(guī)律，理論模型驗(yàn)證）、性能水平定位（與現(xiàn)有材料的對(duì)比），到應(yīng)用潛力演示（作為柔性散熱基板的通電加熱測(cè)試、溫度分布可視化、升/降溫速率比較）的全鏈條證據(jù)。圖4e-h (特別是f, g, h) 通過實(shí)驗(yàn)照片、溫度曲線和紅外熱像圖，非常直觀且有力地證明了CNF/G28復(fù)合材料相比于純纖維素膜（CNF film）和商用聚酰亞胺膜（PI film）具有顯著優(yōu)越的散熱性能，適合用作下一代高性能柔性電子設(shè)備的散熱材料。
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圖 5. CNF/G 復(fù)合材料的電磁屏蔽（EMI）性能。
a) 不同 mGNPs 含量下 CNF/G 復(fù)合材料的電導(dǎo)率與 b) 電磁屏蔽效能（EMI SE）。
c) 不同厚度 CNF/G14 復(fù)合材料的 EMI SE 曲線。
d) CNF/G 復(fù)合材料的 EMI SE 值與先前報(bào)道的電磁屏蔽材料在不同填料含量、導(dǎo)熱系數(shù)（TC）和厚度下的對(duì)比。
e) CNF/G 復(fù)合材料電磁屏蔽機(jī)理示意圖。
f) 不同 mGNPs 含量下 CNF/G 復(fù)合材料的總屏蔽效能（SET）、吸收損耗（SEA）和反射損耗（SER）值。
g) 普通紙張與 CNF/G28 復(fù)合材料對(duì)智能手機(jī)無線充電的電磁屏蔽能力演示圖。
解析：
此圖表系統(tǒng)研究了 纖維素納米纖維/石墨烯（CNF/G）復(fù)合材料 的 電磁屏蔽（EMI Shielding）性能，核心結(jié)論是 石墨烯的加入顯著提升了材料的電磁屏蔽能力。以下是分項(xiàng)解析：
1. 圖5a-b：電導(dǎo)率與屏蔽效能的關(guān)系
a) 展示了復(fù)合材料的 電導(dǎo)率（Electrical Conductivity） 隨 改性石墨烯納米片（mGNPs） 含量增加的提升趨勢(shì)。
b) 證明 電磁屏蔽效能（EMI SE） 與電導(dǎo)率正相關(guān)——電導(dǎo)率越高，屏蔽能力越強(qiáng)。
核心結(jié)論：石墨烯形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)是提升屏蔽性能的關(guān)鍵。
2. 圖5c：厚度對(duì)屏蔽性能的影響
CNF/G14（含14% mGNPs）的 EMI SE 曲線 顯示：厚度增加 → 屏蔽效能顯著提升。
意義：可通過調(diào)節(jié)厚度靈活適配不同屏蔽需求的應(yīng)用場(chǎng)景。
3. 圖5d：與同類材料的性能對(duì)比
將 CNF/G 復(fù)合材料與 文獻(xiàn)報(bào)道的屏蔽材料 在三個(gè)維度對(duì)比：
? 填料含量（更低含量實(shí)現(xiàn)更高屏蔽）
? 導(dǎo)熱性（TC）（兼具導(dǎo)熱與屏蔽雙功能）
? 厚度（更薄厚度達(dá)到同等屏蔽效果）
亮點(diǎn)：突顯該材料“高效、輕薄、多功能”的優(yōu)勢(shì)。
4. 圖5e：屏蔽機(jī)理示意圖
示意圖揭示屏蔽的三重機(jī)制：
反射（Reflection, SER）：表面石墨烯反射電磁波。
吸收（Absorption, SEA）：內(nèi)部石墨烯網(wǎng)絡(luò)吸收并耗散電磁能。
多次內(nèi)反射：材料內(nèi)部孔隙延長(zhǎng)電磁波路徑，增強(qiáng)吸收。
核心機(jī)理：反射+吸收協(xié)同作用（非單一依賴金屬化反射）。
5. 圖5f：屏蔽效能的分項(xiàng)量化（SET/SEA/SER）
SET（總屏蔽效能）= SEA（吸收損耗）+ SER（反射損耗）
數(shù)據(jù)表明：
SEA 占比主導(dǎo)（吸收 > 反射），符合e圖的機(jī)理解釋。
mGNPs 含量增加 → SEA 顯著提升（石墨烯網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)化吸收能力）。
重要性：吸收為主的屏蔽機(jī)制能減少二次電磁污染，更符合現(xiàn)代電子設(shè)備需求。
6. 圖5g：實(shí)際應(yīng)用演示（智能手機(jī)無線充電）
左圖（紙張）：電磁波無阻礙 → 手機(jī)成功充電。
右圖（CNF/G28）：復(fù)合材料阻斷電磁波 → 充電中斷。
演示價(jià)值：直觀證明 僅5mm厚度的CNF/G28即可完全屏蔽日常電磁干擾（無線充電頻段）。
總結(jié)
圖5通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、機(jī)理分析和實(shí)際演示，全面證明了：
石墨烯含量和材料厚度是調(diào)控屏蔽性能的關(guān)鍵參數(shù)；
CNF/G 復(fù)合材料具備 “以吸收為主導(dǎo)”的高效屏蔽機(jī)制；
在低填料含量、薄厚度條件下，其性能優(yōu)于多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道材料；
實(shí)戰(zhàn)演示（手機(jī)屏蔽）凸顯其在消費(fèi)電子中的直接應(yīng)用價(jià)值。
核心優(yōu)勢(shì)：輕、薄、強(qiáng)、環(huán)保（纖維素基），是下一代便攜電子設(shè)備的理想電磁屏蔽材料。
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圖 6. 基于 CNF/G28 復(fù)合材料的摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）的結(jié)構(gòu)與輸出性能
a) 基于 CNF/G28 復(fù)合材料的 TENG 結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖。
b) 不同壓力下 TENG 輸出電壓相對(duì)變化率（ΔV/V?）的變化規(guī)律。
c) 100 Pa 壓力下 TENG 的輸出電壓信號(hào)。
基于 CNF/G28 復(fù)合材料的 TENG 在監(jiān)測(cè) d) 手腕、e) 肘部、f) 膝關(guān)節(jié)彎曲時(shí)的電壓響應(yīng)。
g) TENG 在 2 Hz 頻率下持續(xù) 2400 次接觸-分離循環(huán)的輸出電壓穩(wěn)定性。
解析：
此圖表展示了 CNF/G28 復(fù)合材料在柔性可穿戴能量收集與傳感領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，重點(diǎn)研究其作為摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）核心組件的性能。以下是關(guān)鍵解析：
1. 圖6a：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
采用 CNF/G28 復(fù)合材料作為摩擦層（高導(dǎo)電性+柔性）。
通常配對(duì)另一種高分子材料（如 PTFE）構(gòu)成接觸-分離式 TENG。
工作原理：
接觸起電：兩材料接觸時(shí)表面電荷轉(zhuǎn)移。
靜電感應(yīng)：分離時(shí)電荷差異驅(qū)動(dòng)外部電路電子流動(dòng)發(fā)電。
創(chuàng)新點(diǎn)：纖維素基底+石墨烯兼具柔性與高電荷存儲(chǔ)能力。
2. 圖6b-c：壓力敏感性
b) ΔV/V?（電壓變化率）：
低壓區(qū)（<50 Pa）：ΔV/V? 顯著變化 → 超高壓力靈敏度（可監(jiān)測(cè)微小壓力）。
高壓區(qū)：響應(yīng)趨于平緩 → 適合寬范圍壓力檢測(cè)。
c) 100 Pa 輸出電壓：
清晰穩(wěn)定的脈沖峰型 → 證實(shí) TENG 信號(hào)的信噪比和可靠性高。
意義：適用于脈搏、微觸碰等生物弱信號(hào)監(jiān)測(cè)。
3. 圖6d-f：人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)
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關(guān)節(jié)部位 |
電壓響應(yīng)特征 |
應(yīng)用場(chǎng)景 |
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手腕 |
規(guī)律性震蕩信號(hào) |
手勢(shì)識(shí)別、腕部活動(dòng)跟蹤 |
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肘部 |
大幅單峰信號(hào)（彎曲時(shí)） |
康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作量化 |
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膝蓋 |
高幅值雙峰信號(hào)（屈伸） |
步態(tài)分析、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè) |
核心優(yōu)勢(shì)：
柔性貼合：材料適應(yīng)關(guān)節(jié)曲面變形。
無源傳感：無需外部供電，通過運(yùn)動(dòng)自發(fā)發(fā)電檢測(cè)。
4. 圖6g：長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性
2 Hz 頻率 + 2400 次循環(huán)：
輸出電壓無衰減（保持穩(wěn)定振幅）。
無信號(hào)失真 → 機(jī)械耐久性優(yōu)異。
突破性意義：
解決傳統(tǒng) TENG 因材料疲勞導(dǎo)致的性能衰退問題。
石墨烯增強(qiáng)的纖維素基體抗循環(huán)形變能力強(qiáng)。
總結(jié)：材料的四大核心價(jià)值
能量收集：將人體運(yùn)動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能（驅(qū)動(dòng)可穿戴設(shè)備）。
自驅(qū)動(dòng)傳感：無需電池即可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生理/運(yùn)動(dòng)信號(hào)。
超柔性適配：完美貼合人體關(guān)節(jié)，穿戴舒適。
工業(yè)級(jí)耐用：>2400 次循環(huán)穩(wěn)定性滿足實(shí)際應(yīng)用需求。
應(yīng)用場(chǎng)景：智能醫(yī)療（康復(fù)監(jiān)測(cè)）、人機(jī)交互（手勢(shì)識(shí)別）、物聯(lián)網(wǎng)（無源傳感器）。
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圖 7. 基于 CNF/G28 復(fù)合材料的摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）應(yīng)用
a) 基于 CNF/G28 復(fù)合材料的 TENG 結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖。
b) 基于摩爾斯電碼（Morse code）的通訊機(jī)制示意圖。
基于 CNF/G28 復(fù)合材料的 TENG 通過摩爾斯電碼輸出字符表達(dá)情緒：c) "SOS"、d) "HELP"、e) "SICK"。
f) 患者通過穿戴式 TENG 傳感器與醫(yī)生遠(yuǎn)程溝通的示意圖。
深度解析：
該圖系統(tǒng)展示了 CNF/G28 復(fù)合材料 TENG 在應(yīng)急通訊與醫(yī)療交互領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，核心突破在于 將機(jī)械能轉(zhuǎn)化與信號(hào)編碼技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)無源智能化交互。
1. 圖7a：結(jié)構(gòu)與工作原理復(fù)現(xiàn)
*結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
柔性 CNF/G28 復(fù)合材料作為 摩擦層（高電荷轉(zhuǎn)移效率）
彈性支撐層（如海綿）輔助接觸分離
*發(fā)電原理：
接觸起電 → 靜電感應(yīng) → 脈沖電流輸出
注：此處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與圖6a一致，強(qiáng)調(diào)應(yīng)用場(chǎng)景的普適性
2. 圖7b-e：摩爾斯電碼情緒通訊系統(tǒng)
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功能模塊 |
技術(shù)實(shí)現(xiàn) |
創(chuàng)新價(jià)值 |
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信號(hào)編碼 |
按壓間隔控制脈沖序列 → 生成摩爾斯電碼 |
無需電子芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字通訊
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字符輸出 |
SOS (· · · – – – · · ·)
HELP (······)·-···--)
SICK (·····-·-·-·-) |
緊急場(chǎng)景一鍵求救 |
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情緒表達(dá) |
預(yù)設(shè)信號(hào)映射特定語義（如 SICK=急需醫(yī)療） |
突破語言/語音障礙的交互方式 |
*技術(shù)亮點(diǎn)：
無源操作：完全由按壓動(dòng)作供能，無電池依賴
抗干擾性：脈沖信號(hào)可通過聲/光/震動(dòng)多通道傳輸
3. 圖7f：醫(yī)療級(jí)遠(yuǎn)程交互系統(tǒng)
工作流程：
mermaid
graph LR
A[患者穿戴傳感器] --> B[關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)發(fā)電]
B --> C[生成摩爾斯信號(hào)]
C --> D[藍(lán)牙/WiFi傳輸]
D --> E[醫(yī)生端解碼系統(tǒng)]
E --> F[實(shí)時(shí)健康干預(yù)]
*核心組件：
柔性傳感器：貼合關(guān)節(jié)監(jiān)測(cè)活動(dòng)狀態(tài)（呼應(yīng)圖6d-f）
雙模通訊：
本地摩爾斯電碼（應(yīng)急場(chǎng)景）
無線數(shù)據(jù)傳輸（常規(guī)遠(yuǎn)程診療）
*社會(huì)意義：
為語言障礙/偏遠(yuǎn)地區(qū)患者提供低成本的醫(yī)療求助通道
總結(jié)：技術(shù)閉環(huán)與場(chǎng)景拓展
1、基礎(chǔ)原理復(fù)用
圖6的發(fā)電機(jī)制（a）→ 圖7的終端應(yīng)用（a-f），驗(yàn)證 CNF/G28 從材料到系統(tǒng)的技術(shù)連貫性。
2、從工具到交互
突破傳統(tǒng) TENG 僅作為「能量收集器」的局限，升級(jí)為 人機(jī)交互接口（摩爾斯編碼）和 健康數(shù)據(jù)終端（醫(yī)療傳感）。
3、可持續(xù)性設(shè)計(jì)
全鏈路無需電池：材料發(fā)電 → 本地編碼 → 無線傳輸，契合綠色電子發(fā)展趨勢(shì)。
應(yīng)用前景：災(zāi)后救援（SOS系統(tǒng)）、無障礙通訊（漸凍人患者）、遠(yuǎn)程醫(yī)療（社區(qū)醫(yī)院）
受人類神經(jīng)系統(tǒng)啟發(fā)，本研究通過簡(jiǎn)單的靜電自組裝方法及隨后的熱壓工藝，成功制備了具有卓越熱導(dǎo)率和電磁干擾屏蔽效能的CNFs基復(fù)合材料。所得到的 單寧酸非共價(jià)和3-氨基丙基三乙氧基硅烷共價(jià)共修飾的石墨烯納米片作為填料，在CNFs基復(fù)合材料中形成了有序的層狀結(jié)構(gòu)，這得益于mGNPs與CNFs之間的氫鍵和靜電相互作用。所得到的CNF/G28復(fù)合材料展現(xiàn)出了136.2 W/(m·K)的面內(nèi)熱導(dǎo)率和105 dB的高EMI屏蔽效能，同時(shí)還具有出色的拉伸強(qiáng)度和141.1°C的焦耳加熱溫度。將CNF/G28復(fù)合材料用作單電極模式的摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG ）電極，該發(fā)電機(jī)具有寬檢測(cè)范圍和快速響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間，形成了一個(gè)便捷的人機(jī)交互系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)并通過摩爾斯電碼表達(dá)情感。更重要的是，CNF/G28復(fù)合材料基TENG在2400次接觸分離循環(huán)中幾乎保持穩(wěn)定，證明了其作為可穿戴電子設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行性能。總之，所提出的方法在構(gòu)建用于人類健康監(jiān)測(cè)和人機(jī)交互的可穿戴傳感器方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
DOI: 10.1002/adfm.202315851
本文的創(chuàng)新點(diǎn)如下：
1、仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
*靈感來源：受人類神經(jīng)系統(tǒng)啟發(fā)，設(shè)計(jì)了類似神經(jīng)纖維結(jié)構(gòu)的改性石墨烯納米片（GNPs）/纖維素納米纖維（CNFs）基復(fù)合材料。這種結(jié)構(gòu)類似于神經(jīng)纖維，作為信號(hào)傳輸?shù)?ldquo;軌道”，具有快速感知和響應(yīng)外部刺激的能力。
*結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)：通過非共價(jià)（單寧酸修飾）和共價(jià)（3-氨基丙基三乙氧基硅烷修飾）聯(lián)合改性的方法 ，制備了具有正電荷的GNPs（mGNPs），并與帶負(fù)電的CNFs通過靜電自組裝和熱壓工藝，形成了有序且層狀的mGNPs/CNFs復(fù)合材料。
2、優(yōu)異的熱管理和電磁干擾屏蔽性能：
*高熱導(dǎo)率：復(fù)合材料展現(xiàn)出極高的面內(nèi)熱導(dǎo)率（136.2 W/(m·K)）和出色的面外熱導(dǎo)率（17.2 W/(m·K)），這得益于mGNPs的有序排列和與CNFs的緊密接觸，形成了有效的熱傳導(dǎo)路徑。
*高電磁干擾 屏蔽效能：在28%體積分?jǐn)?shù)的mGNPs下，復(fù)合材料在200μm厚度時(shí)達(dá)到了105 dB的電磁干擾屏蔽效能，遠(yuǎn)高于同類材料。
3、多功能可穿戴傳感器應(yīng)用：
*實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)：利用復(fù)合材料的高電導(dǎo)率，構(gòu)建了基于單電極模式的摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG），用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)，如手腕、肘部和膝蓋的彎曲。
*情感表達(dá)：通過摩爾斯電碼，傳感器能夠表達(dá)情感，如“SOS”、“HELP”和“SICK”等信號(hào)， 展示了在人機(jī)交互和醫(yī)療傳感領(lǐng)域的潛力。
4、制備工藝創(chuàng)新：
*簡(jiǎn)單高效：采用靜電自組裝和熱壓工藝，相對(duì)于傳統(tǒng)的冰模板、氣泡模板和鹽模板法，這種方法更簡(jiǎn)單、成本更低，且適合大規(guī)模生產(chǎn)。
*界面 增強(qiáng)：通過非共價(jià)和共價(jià)聯(lián)合改性，解決了GNPs的聚集問題，同時(shí)保持了其內(nèi)在表面性質(zhì)，并增強(qiáng)了與聚合物基體的界面相互作用。
5、綜合性能優(yōu)異：
*機(jī)械性能：復(fù)合材料不僅具有高熱導(dǎo)率和電磁干擾屏蔽性能，還展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能，如高拉伸強(qiáng)度（39.88 MPa）和良好的柔韌性和承載能力。
*長(zhǎng)期穩(wěn)定性：經(jīng)過2400次接觸分離循環(huán)測(cè)試，傳感器性能保持穩(wěn)定，證明了其 作為可穿戴電子設(shè)備的長(zhǎng)期使用潛力。
6、理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：
*理論模型驗(yàn)證：通過多種經(jīng)典理論模型預(yù)測(cè)復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了制備策略的有效性。
這些創(chuàng)新點(diǎn)使得該研究在可穿戴傳感器領(lǐng)域具有顯著的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景，特別是在需要高效熱管理和電磁干擾屏蔽的智能醫(yī)療和機(jī)器人技術(shù)中。
摘自《石墨烯研究》公眾號(hào)
