DOI: 10.12677/amc.2025.131009, PDF, HTML, XML,  被引量   
作者: 郭 晶, 郭巧杭：福建理工大学材料科学与工程学院，福建 福州；翁明岑：福建理工大学生物与化学研究院，福建 福州
关键词: 木材/有机聚合物；传感器；Wood/Organic Polymer Composites； Sensors

文章引用：郭晶, 郭巧杭, 翁明岑. 木材/有机聚合物复合材料在柔性传感器方面的研究进展[J]. 材料化学前沿, 2025, 13(1): 66-78. https://doi.org/10.12677/amc.2025.131009

1. 引言

随着全球对可持续发展和环境保护的日益重视，木基复合材料作为一种可再生且环境友好的新型材料受到了广泛关注。木材在多个长度尺度上展现出层次结构，由相互连接的空心纤维结构组成[1]。木材的这种独特层次化和开放式多孔结构，结合其优越的机械性能和轻质特性，为开发高性能复合材料提供了理想的框架，例如透明木材[2]、可调谐木材[3]以及刺激响应性木材[4]等。

到目前为止，基于木材/有机聚合物复合材料的柔性压力传感器已经得到了广泛的研究[5]-[7]。例如，Gao等人[8]通过协同双相机制开发了一种高强度的木基摩擦电材料。原位生长的阻燃剂和致密炭层的形成显著增强了木基的摩擦电材料的防火性能，将热释放速率降低了95.4%，总热释放降低了94.2%。致密的层压结构提供了出色的抗冲击韧性(126 kJ∙m⁻²)。此外，该木材/有机聚合物基摩擦电传感器还可以用于精准识别人体运动状态和轨迹的能力。Yu等人[9]设计了一种人工软木，弹性橡胶和热固性刚性聚合物分别被选为软性和硬性组分。通过三层表面活性剂稳定的软–硬乳液设计以及在冷冻干燥和热固化后的微观相变，提高了两种组分的相互兼容性。该人工软木展现出卓越的机械性能，包括大幅度变形能力、高比强度、耐磨性和抗疲劳性，超越了天然软木和大部分木基材料。Mei等人[10]通过将脱木素木材部分溶解再生，在木材孔隙内形成具有蜘蛛网结构的纳米纤维素纤维。然后，利用硅烷偶联剂改性木材，碳纳米管改性气凝胶，制备了柔性导电木材气凝胶。该气凝胶表现出高压缩回弹性和优异的抗疲劳性，具备超快速响应时间和传感稳定性。Gao等人[11]通过在木材上原位生长磷酸铵和热压密化技术，实现了木材在气相和凝聚相的协同阻燃效果，显著增强了木材基摩擦电材料的热阻。开发的木材基摩擦电材料具有出色的机械性能和抗冲击性，其冲击韧性达到126 kJ∙m⁻²，远高于天然木材。该材料即使在高温(如250℃)下也能保持出色的能量收集效率，且在不同湿度条件下(从40% RH到99% RH)传感器的输出信号保持相对稳定。

在碳达峰和碳中和的背景下，木基复合材料因其独特的性能，在众多研究领域中受到广泛关注。木材作为木基复合材料的重要组成部分，具备天然的优势，如丰富的纤维结构、良好的机械性能以及独特的生物特性。有机聚合物则赋予木基复合材料更多的功能特性，通过二者的结合，木材/有机聚合物复合材料应运而生。正是基于以上特性，木材/有机聚合物复合材料在柔性传感领域的应用研究正受到越来越多的关注。柔性传感领域需要具备高灵敏度、良好柔韧性以及对环境友好的材料[12]，而木材/有机聚合物复合材料恰好满足这些需求。木材/有机聚合物复合材料结合了木材的天然优势和有机聚合物的功能特性。在木材与有机聚合物的合成及加工过程中，不可避免地涉及到有毒有害物质的使用与排放。从材料科学的角度来看，在处理阶段，木材/有机聚合物复合材料展现出良好的可降解性与可回收性。其降解过程遵循自然规律，通过特定的生物或化学机制，能够将材料分解为无害的物质，且不会产生二次污染。这一特性使得木材/有机聚合物复合材料在环境友好型材料的发展中具有重要意义。同时，其可回收性也为资源的循环利用提供了有效途径，进一步减少了对环境的压力。木材/有机聚合物复合材料在可持续发展领域具有独特的优势，在柔性传感器的开发方面展现出巨大的潜力[13]。

2. 木材的结构

木材作为一种天然资源，具有可再生、可生物降解和环境友好等优点，其主要成分包括三种高分子化合物：纤维素、半纤维素和木质素[14]。其中，纤维素是木材强度和刚性的主要来源，构成了木材最基本的结构单元。半纤维素和木质素起到粘合作用，与纤维素紧密交织，共同塑造了木材的整体架构。木材的结构层次在不同尺度上展现出丰富的多样性，从宏观到微观，从米级到纳米级，这种跨尺度的特性赋予了木材在结构和性能上显著的差异。这种复杂的层级结构不仅赋予了木材独特的物理和化学性质，也为其在多个领域的应用提供了广泛的可能性。

木材由众多纤维管组成，这些纤维管向内部延伸，构成了木材的主体。木材的特性包括高比强度、良好的保温性、电绝缘性、卓越的力学性能以及多孔性等，这些特性使得木材在建筑材料领域中占有独特的地位。尽管木头具有很多不同的大尺度结构，但其孔隙的结构却有着极大的相似性。其中最显著的是孔隙结构的各向异性，内部存在许多垂直的孔通道。木材/有机聚合物复合材料不仅能够提高木材的功能性和附加值，还能够拓展其在智能电子设备、环境监测、健康医疗等领域的应用[15]-[17]。

3. 木材/有机聚合物复合材料

自上世纪60年代起，科学家们一直致力于研究几种典型的木材改性方法(如化学改性、密实化、表面涂覆和热处理等)，旨在提高木材的尺寸稳定性、生物可降解性、强度、耐久性和水敏性[18]。化学改性是其中最常见的方法之一。木材中丰富的羟基可作为活性位点，可用于化学改性以促进与聚合物或无机材料的原位功能化，在化学试剂与木材细胞壁聚合物之间形成稳定的共价键，赋予木材独特的性质[19]。除化学改性外，密实化也是一种重要的木材改性方法。密实化可以有效提高木材的密度和强度。表面涂覆则是在木材表面形成一层保护膜，提高木材的抗磨损能力。热处理同样对木材性能有着重要影响。通过加热处理，木材的内部结构发生变化，从而提高木材的稳定性和耐久性。木材改性或功能性改良之前通常要进行预处理来改善其渗透性，木材预处理通常分为物理、生物及化学处理，以提高木材改性或改良效率[20] [21]。

近年来，随着对可持续型和环境友好型材料需求的增长，木材/有机聚合物复合材料的研究和应用得到了显著发展[22]。Liu等人[23]以聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol, PVA)/木材复合材料为基础，开发了具有层次结构和溶剂响应超分子网络的相变材料(Phase change materials, PCMs)。随后，通过聚乙二醇(Polyethylene glycol, PEG)处理，获得氢键增强的木质凝胶。水-PEG溶剂交换引发相分离过程，显著增强了PVA与纤维素分子间的氢键作用，使得材料刚度大幅提升。得到的木质凝胶在硬质和熔融状态下的拉伸应力从10.14 MPa提高到80.86 MPa，刚度从420 MPa提高到4.8 GPa，硬度是PEG/PVA凝胶的530倍。Tu等人[24]将金属–有机骨架(Metal-organic frameworks, MOFs)与大孔材料结合，用于在木材基底中原位生长MOF纳米晶体。使用氢氧化钠溶液预处理木材，实现离子交换，为MOF生长提供成核位点。同时去除部分半纤维素和木质素，保留纤维素微纤丝结构，增强与金属阳离子的亲和力。在预处理木材中通过溶液浸渍原位生长MOF晶体，其与木材通过氢键和静电相互作用牢固结合，形成具有分级孔隙结构的MOF/木材复合材料。该结构相比天然木材表面积显著增大，且能有效利用MOF负载，提升对CO₂的吸附能力。在机械性能方面，预处理使木材柔韧性增加但不改变拉伸模量。MOF/木材复合材料有优异的抗压和抗拉性能，抗压强度和极限抗拉应力高于天然木材及许多聚合物基MOF复合材料。Wang等人[25]开发了一种通过磷钨酸和有机胺在室温下原位自组装得到不同形式的酸性纳米粒子。这些纳米粒子被用于生产一种全新的木基复合材料，其表现出显著的热稳定性、抑烟性和阻燃性。这些有利的性质归因于致密炭层的合成以及在细胞壁的孔和木材的内腔中结合了少量的酸性纳米粒子。酸性纳米粒子在燃烧过程中发生氧化，同时促进炭层形成，阻挡氧气和可燃气体扩散。

木材/有机聚合物复合材料的研究进展表明，这些功能性改良不仅加强了天然木材的力学性能、尺寸稳定性，还可以赋予木材本身所不具备的其他性能，比如防腐、耐磨和阻燃性能，从而显著延长了木材的使用寿命，实现了资源的有效利用[26]。此外，这些功能性改良还赋予了木材疏水、导电、抗菌等特殊性能，使其能够制造高附加值产品，极大地拓宽了木材的应用领域。在柔性传感器领域，木材/有机聚合物复合材料凭借其独特性质展现出相对于传统材料的显著优势。从可持续发展角度看，木材资源丰富且可再生，有机聚合物材料可通过多种合成途径获得。这不仅减少了对有限资源的依赖，还能在生产过程中优化能源利用，降低能耗。其合成与加工工艺相对环保，能有效减少废弃物排放，实现资源的循环利用。在环境保护方面，木材有机聚合物复合材料具备良好的生物降解性，可在自然环境中分解为无害物质，降低对环境的污染。同时，该材料在生产过程中产生的有害物质较少，对生态系统和人体健康的危害较小。这些优势使木材有机聚合物复合材料在柔性传感器领域更契合可持续发展与环境保护的要求，为推动该领域的发展提供了新的思路和方向。

4. 木材/有机聚合物复合材料在柔性传感器方面的应用

4.1. 柔性传感器的种类

传统传感器大多基于金属或半导体材料制备，这些材料的本质刚硬特性限制了传统传感器的拉伸性能，导致其可承受的应变范围较小。此外，这些传感器难以与人体皮肤实现紧密贴合，从而在使用过程中容易出现与皮肤适应性差、信号中断或失灵等问题。相比之下，新型柔性传感器有良好拉伸性、生物相容性，与人体皮肤有高度适应性，能够直接监测人体机能，为健康检测提供更加准确的管理建议。由于柔性传感器可根据不同的应用环境进行相应的弯曲折叠，因此其在电子皮肤、环境监测、可穿戴设备等领域也展现了良好的发展潜力[16] [27]。到目前为止，研究人员已经提出了四种基于不同传感机制设计的主流柔性传感器，即压阻式、电容式、压电式和摩擦电式[28]。表1对四种不同机制的柔性传感器进行了综合比较。

Table 1. A comprehensive comparison of four different types of flexible sensors based on distinct mechanisms

表1. 四种不同机制的柔性传感器的综合比较

特性	压阻式	电容式	压电式	摩擦电式
工作原理	通过压力改变材料的电阻来检测变化	通过电场变化引起电容变化来检测压力	通过压力产生机械变形并产生电压变化	通过摩擦电效应产生电荷变化检测压力
灵敏度	较高，适用于小压差的检测	较高，尤其在微小电场变化下	较高，能检测到细微的物理变形	中等，依赖表面摩擦材料的性质
响应速度	较快，适合动态压力检测	较快，适用于快速变化的压力	极快，能检测快速的压力和震动变化	快，适用于震动或触摸感应
稳定性	在长期使用中容易出现漂移	稳定性较好，受环境湿度和温度影响较小	稳定性较差，容易受外界因素(如温度) 影响	稳定性较好，不容易受湿度和温度影响

续表

结构复杂性	结构简单	结构较复杂，通常需要额外的电路设计	结构复杂，可能需要额外的信号放大装置	结构简单，易集成在柔性材料中
可穿戴性	适合穿戴，尤其在压力检测领域	适合穿戴，常用于触摸屏和力感测装置	适合穿戴，一般用于振动和压力传感	适合穿戴，尤其在低功耗自供电系统中
应用领域	医疗检测、压力传感、可穿戴设备	触摸屏、智能穿戴、力传感器	振动检测、触摸感知、机械能量采集	低功耗自供电系统、运动检测、触摸感应

4.2. 压阻式柔性传感器

压阻式柔性传感器的设计策略通常是将导电有机聚合物通过沉积、涂覆、掺杂等工艺渗透进弹性基底中。柔性压阻传感器的工作机制主要基于压阻效应，即在外部压力的作用下，材料内部的导电网络结构发生变化，导致电阻值变化，通过检测电阻变化即可感知外部压力。

Luo等人[29]通过酯化反应将光敏基团苯甲酰甲酸接枝到从木材中提取的木质素主链上，合成了一种新型基于木质素的大分子光引发剂(Lignin-based macromolecular photoinitiator, L-BF)。通过在疏水深共晶溶剂(Deep eutectic solvent, DES)中通过紫外线引发的聚合反应共聚疏水丙烯酸单体，进一步开发了一系列完全疏水的深共晶凝胶(Hydrophobic eutectogels, HEG)。所得HEG显示出高透明度、紫外线屏蔽、抗膨胀性能、疏水性，以及在水下和有机溶剂中光引发剂迁移性低的卓越机械性能。最重要的是，所制备的HEG展现出强大的水下粘附力和在水下及其他极端水环境中的环境稳定性。基于这些特性，HEG被用作安全的水下软传感器，用于水下人体运动检测。图1为HEG作为水下机器人和通信设备传感器的功能演示。

Figure 1. The functional demonstration of HEG as a sensor for underwater robots and communication devices is presented; (a) A schematic illustration of the underwater communication mechanism based on Morse code; (b) The transmission of “SOS” messages by rhythmically bending fingers underwater; (c) A schematic diagram of the HEG-based sensor attached to the right side of a robotic fish model; (d) The relative resistance changes during the swimming and resting states of the robotic fish model [29]

图1. HEG作为水下机器人和通信设备传感器的功能演示；(a) 基于摩斯密码的水下通信机制的示意图；(b) 通过在水下有规律地弯曲手指来发送“SOS”信息；(c) 附着在机器鱼模型右侧的基于HEG的传感器的示意图；(d) 当机器鱼模型游泳和休息时的相对阻力变化[29]

Zhang等人[30]提出了一种新型的多参数被动无线柔性传感器(Multiparameter passive wireless flexible sensor, MPWFS)。该压力传感器由具有功能性梯度结构的轻木制成，采用定向冷冻工艺涂覆石墨烯。该压力传感器在0至20 kPa的大监测范围内具有0.34 kPa⁻¹的灵敏度，能够灵敏地监测小压力并准确恢复大压力。传感器能够通过收集环境中的无线射频(Radio frequency, RF)能量实现自供能，具备压力和温度感知能力，并通过集成自动化工艺实现高度集成。集成传感器可以自由部署在不同位置，形成传感器阵列，以获取压力和温度的空间和时间分布。部署的MPWFS可以消毒并重复使用，无需昂贵的维护，从而实现低成本、非侵入性、实时的医疗监测。图2为压阻式柔性传感器。

Figure 2. Piezoresistive flexible sensors [30]

图2. 压阻式柔性传感器[30]

木材/有机聚合物复合材料在压阻式柔性传感器应用中的优点包括可再生性、生物降解性和环境友好性，这些特性使得木材成为柔性传感器领域中一种理想的基地材料。此外，木材/有机聚合物复合材料还展现出优异的尺寸稳定性和抗腐蚀性，这对于提高压阻式传感器的耐用性和可靠性至关重要。然而，木材/有机聚合物复合材料在压阻式柔性传感器应用中也存在一些挑战。例如，木材的天然吸湿性可能会影响传感器的长期稳定性和响应速度。此外，木材与有机聚合物之间的界面结合较弱，可能会限制压阻式柔性传感器的整体传感性能。

4.3. 电容式柔性传感器

电容式柔性传感器通常由上下电极层和中间的弹性绝缘介质组成，其工作机制是基于电容器的电容量变化。当电容式柔性传感器受到压力时，电极层之间的距离或正对面积发生变化，导致电容量变化，通过测量电路即可将这种变化转换为电信号输出。

Nie等人[31]通过将离子导电的聚电解质引入木材基质中，开发了一种高度各向异性、机械强度高的木材水凝胶，并将其组装成电容式压力传感器(Capacitive pressure sensors, CPS)。由于刚性纤维素纤维的增强效应，这种基于木材水凝胶的CPS被认为在相对高压情况下具有广泛的感测压力范围。制备的电容式压力传感器对外部压力具有最高的响应性，展现出在宽检测应力范围(约1.6 MPa)内的分级压力敏感性(分别为58.4, 41.8和27.0 MPa⁻¹)。这种电容式压力传感器能够稳定监测实际人类活动，既能应对大冲击(1.3 MPa)也能感应一般小应力(0.1 MPa)。图3为柔性电容式传感器应用场景模拟图。

Meng等人[32]提出了一种基于分级内填充结构的电容传感器，该结构由具有超大量本征导电聚吡咯(Polypyrrole, PPy)微分支的导电木片(Polypyrrole wood, PW)和基于纤维素的微图案化抗膨胀水凝胶(micropatterned anti-swelling hydrogel, MPASH)组成，后者具有不同高度的分层微凸起。这种木基电容传感器展现出极高的灵敏度(268~1153 kPa⁻¹)和极低的检测限(LOD = 6.4 Pa)。该电容式柔性传感器开发的木质水听器对250~2300 Hz的宽频率范围内的声波具有高灵敏度(170~174 dB)，是一种理想的多功能高分辨率设备，能够有效检测各种水下振动信号，有助于生物质水听器在水下机械传感领域的发展和实际应用。图4为PW/MPASH电容式传感器的传感特性。

Figure 3. Schematic diagram of flexible capacitive sensor application scenarios; (a) Real-time capacitance change rate signals and monitoring images during the dripping of small droplets, and (b) During the process of packaging [31]

图3. 柔性电容式传感器应用场景模拟图(a) 小珠滴下和(b) 装箱的实时电容变化率信号和监控图像[31]

Figure 4. The sensing characteristics of the PW/MPASH capacitive sensor are illustrated as follows; (a) the dependency of output capacitance on the frequency of water waves; (b) the output capacitance in response to a remotely controlled submarine，and (c) the detection of minute objects within a full beaker of water at 30 kPa [32]

图4. PW/MPASH电容式传感器的传感特性；(a) 输出电容对水波频率的依赖性；(b) 对遥控潜艇的输出电容；(c) 检测放在30千帕水的满烧杯中的微小物体[32]

木材/有机聚合物复合材料在电容式柔性传感器应用中，优点包括机械柔韧性、高灵敏度、优异的可重复性、低功耗和高空间分辨率。这些特性使得木材/有机聚合物复合材料在可穿戴电子器件、电子皮肤等领域的应用越来越广泛。然而，这类传感器也存在一些缺点，如易受外界干扰产生不稳定现象、有寄生电容的影响，以及对外部电源和外场干扰的敏感性。因此，尽管木材/有机聚合物复合材料在电容式柔性传感器中展现出巨大的潜力，但仍需针对其稳定性和抗干扰能力进行进一步的优化和改进。

4.4. 压电式柔性传感器

压电式柔性传感器的工作机制是基于材料本身具有的压电效应。当压电材料受到外界力的作用时，其内部会产生电极化现象，导致在材料的两个相对表面上出现相反的电荷；当外力撤去后，材料又恢复到不带电状态，从而实现将机械能转换为电能的过程[33]。这种电荷的产生与施加的力成正比，因此可以通过测量电荷或相应的电压来监测力的变化。压电式柔性传感器广泛应用于各种领域，包括但不限于医疗成像、声波检测、加速度测量、振动分析和精密定位。这类传感器以其高灵敏度、快速响应时间和优异的稳定性而受到青睐。

Luo等人[34]通过化学处理方法去除天然轻木中的木质素和半纤维素，制备了一系列多孔木材(Porous woods, PWs)，其表观密度在95.9~46.16 mg∙cm⁻³之间。这些PWs形成了波浪形交织结构，展现出高达91.89%的压缩性。特别是处理时间为12 h的PW-12，其组装的传感器表现出优异的压电传感性能，具有15.14 kPa⁻¹的高应力灵敏度和0.443 V∙kPa⁻¹的压电特性灵敏度，能在0.0028 Hz的超低频下检测，且在0.41 Hz下经过60,000次循环仍保持良好的性能。这种天然木基压电式柔性传感器在供电需求上具有灵活性，双传感功能信号完全解耦，无串扰，能够监测多种人体动态运动。图5为PWs的压电性能。

Figure 5. Piezoelectric properties of the PWs are presented as follows; (a) The open-circuit voltage of the samples under a constant frequency of 0.15 Hz and a load of 100 kPa; (b) and (c) the open-circuit voltage of PW-12 as strain increases under applied frequencies of 0.053 Hz and 0.6 Hz, respectively; (d) The peak voltage corresponding to different frequencies at varying pressures, and (e) the voltage values of PW-12 at different frequencies [34]

图5. PWs的压电性能；(a) 恒定频率为0.15 Hz负载为100 kPa时样品的开路电压；(b)和(c)施加频率为0.053和0.6 Hz时，PW-12随应变增加的开路电压；(d) 不同频率在不同压力下对应的峰值电压；(e) PW-12在不同频率下对应的电压值[34]

Wu等人[35]通过一种简单且环保的木材射线组织调控工艺，使木材形成叶片弹簧状结构，从而制备了一种超弹性木材。在保持压电纤维结构稳定的同时极大提高了木材的压缩能力。木材压缩能力的提高加剧了纤维素微原纤维的局部变形，这显著增强了木材的压电效应。当超弹性木材应用于人体皮肤时，其可作为自供电传感器，用于监测人体关节运动。图6为超弹性木材在压电式柔性传感器中的应用。

Figure 6. The application of super wood in piezoelectric sensors [35]

图6. 超弹性木材在压电传感器中的应用[35]

木材/有机聚合物复合材料因其良好的柔韧性和可加工性可以制备为大面积薄膜以应用于压电式柔性传感器领域。木材的多孔结构和层次结构提供了优异的机械性能和柔韧性，使得压电式柔性传感器能够适应各种复杂环境。此外，木材/有机聚合物复合材料的低密度和低声阻抗使其在医学和水下应用中具有重要意义。然而，这类材料也存在一些缺点，如有机压电材料的压电性能相对较小，需要通过材料组分和结构设计的优化来提高其压电响应。

4.5. 摩擦电式柔性传感器

天然木材作为一种丰富的可持续生物资源，具有独特层次多孔结构(丰富的微/纳米孔隙和良好对齐的通道)。这种独特结构不仅提高了快速的离子/电子传输速率，还为化学或功能剂的渗透提供了天然通道[36]。这些特性使得天然木材被认为是替代化石能源作为电极材料，制造可持续的摩擦电纳米发电机(Triboelectric nanogenerator, TENG)用于柔性传感器的理想候选材料[37]。与纤维素基的TENG或木质素基的TENG相比，木材基的TENG展现出卓越的尺寸稳定性、机械强度和高木质纤维素含量，这在摩擦过程中提高了其耐久性[38]。最近，大量的研究人员直接使用天然木材制备具有优异机械性能和摩擦耐久性的基于木材的TENG，以用于柔性传感器。即便如此，天然木材的低极化率、有限的电荷密度增加效率和不尽如人意的摩擦电性能等几个重要挑战仍需被解决，以进一步提升木材基TENG的摩擦电输出性能。摩擦电式柔性传感器是利用两种电负性不同的材料之间的摩擦起电和静电感应的耦合效应，将外界施加的微小机械能转化为电能的装置[39] [40]。该种柔性传感器在很多方面均得到广泛的应用，这得益于其制备成本低廉、自供能和无需额外的电源便可产生电信号的优点。

Jia等人[36]提出了一种新型策略，使用可聚合低共熔溶剂(Polymerizable deep eutectic solvents, PDES)处理改性木材，制备用于高性能自供能传感器的多功能化木材。通过原位聚合PDES与改性木材，制备了具有优异机械韧性、光学透过率和导电性的共价–非共价双重交联功能化木材(Functionalized wood, FW)。FW-TENG通过引入电子供体基团(-CH3)提高了极性，转移电荷密度增加约2.91倍。FW-TENG在人体运动监测和信息加密方面展现出应用潜力。图7为FW-TENG的制备及应用图。

Figure 7. Figure of the preparation and application of the FW-TENG; (a) (b) Schematic illustrations of the synthetic route and chemical structure of FW; (c) (d) Applications of FW-TENG in the field of self-powered sensing [36]

图7. FW-TENG的制备及应用图；(a) (b) FW的合成路线和化学结构示意图；(c) (d) FW-TENG在自供电传感领域的应用[36]

Shi等人[41]报道了一种高效且简便的方法，在NaOH和Na₂SO₃的混合溶液中化学煮沸，然后热压。用于制造具有卓越机械性能和摩擦电性能的木材薄膜。然后，将获得的柔性木材用于制造摩擦电式柔性传感器。这一方法使得基于木材的摩擦电自供能传感器(Wood-based triboelectric self-powered Sensors, WTSSs)具备了灵活性、轻质性、低成本和高灵敏度的特点。WTSSs在低工作频率下的稳定电气性能，赋予了其对运动感知的超灵敏度能力，这适用于构建大规模传感器网络。得益于经过处理的木材的优异性能，WTSS能够与各种常用于智能家居系统构建的木制家用设施高度集成。基于其高灵敏度，WTSSs被用于开发配备简单信号处理电路的自供能智能家居控制系统。同时，构建了一种用于身份识别和家庭安全的自供能智能门锁系统。此外，还展示了一种能够实现步态识别和健康监测的自供能智能地板监测系统，显著提高家庭生活的效率、便利性和安全性。图8为WTSS的工作机理和传感性能。

木材/有机聚合物复合材料在摩擦电式柔性传感器应用中，这种材料具有优异的柔韧性、导电性和机械耐久性，使其能够适应非平面表面，并在弯曲时保持完整性。然而，木材的吸湿性可能会影响传感器的稳定性和长期性能，需要采取防护和优化措施，提高木材/有机聚合物复合材料的导电性、响应速度和灵敏度，同时降低成本并实现大规模生产。

5. 结论

木材/有机聚合物复合材料因其可再生性、生物降解性和环境友好性，在柔性传感器领域显示出巨大

Figure 8. The working mechanism and sensing performance of the Wood-based Triboelectric Self-powered Sensors (WTSS). (a) Schematic illustration of the working principle of WTSS; (b) Volatile Organic Compounds (VOCs) of WTSS under varying pressures; (c) VOCs of WTSS at different stress levels; (d) Increasing VOCs of WTSS with escalating pressure. Inset: An enlarged view of the low-pressure region; (e) VOCs of WTSS and input pressure at frequencies of 0.5, 1, and 2 Hz [41]

图8. 木质基摩擦电自驱动传感器(WTSS)的工作机理和传感性能，(a) WTSS工作原理示意图；(b) WTSS在不同压力下的挥发性有机化合物(VOCs)；(c) WTSS在不同应力水平下的挥发性有机化合物(VOCs)；(d)随着压力增加，WTSS的挥发性有机化合物(VOCs)逐渐增加。插图：低压区域的放大视图；(e)在0.5、1和2Hz的频率下，WTSS的挥发性有机化合物(VOCs)与输入压力的关系[41]

潜力。这些复合材料不仅增强了木材的力学性能和尺寸稳定性，还赋予了木材新的功能，如防腐、耐磨和阻燃性能，显著延长了其使用寿命。尽管如此，木材的吸湿性、界面结合强度以及压电性能的优化仍是未来研究需要解决的问题。其中，木材的吸湿性是最为紧迫的问题，因为它直接影响传感器在不同环境条件下的稳定性和可靠性。其次，界面结合强度的提升对于增强复合材料的整体性能和耐久性至关重要。最后，压电性能的优化将直接影响传感器的灵敏度和响应速度。为了解决这些问题，未来的研究方向可以聚焦于材料设计和结构优化策略。首先，通过表面改性或引入纳米尺度的填充物，可以有效地降低木材的吸湿性，从而提高其在柔性传感器中的稳定性。其次，利用先进的纳米复合技术，如溶胶–凝胶法，可以在木材中原位形成有机–无机杂化聚合物，从而增强界面结合强度，并提升复合材料的整体性能。此外，探索和开发新型的压电材料或结构，将其集成到木材/有机聚合物复合材料中，是提升木材压电性能的关键。在智能电子设备领域，木材/有机聚合物复合材料可应用于智能传感器，例如通过压电效应将机械振动转化为电信号，从而实现对设备运行状态的实时监测。在环境监测方面，利用其压电特性可对环境中的压力、振动等物理量进行感知，如在地震监测中，木材/有机聚合物复合材料制成的压电传感器能够及时捕捉地震波引起的振动，为准确评估地震灾害提供重要数据支持。在健康医疗领域，木材/有机聚合物复合材料可用于开发新型医疗设备，如压电传感器可用于检测人体生理参数，为疾病诊断提供依据。通过这些针对性的材料设计和结构优化，木材/有机聚合物复合材料有望在更多领域实现更广泛的应用。

参考文献

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