柔性压力传感器在医疗健康监测、电子皮肤、智能机器人等领域应用广泛，其中压阻式压力传感器因制备简便、结构简单等优势备受关注，但长期面临灵敏度与检测范围难以兼顾的核心难题，高灵敏度通常伴随窄检测范围，宽检测范围则会牺牲灵敏度。尤其在航天等极端应用场景中，传感器还需承受恒星辐射与深空寒冷交替带来的剧烈温度波动，保持优异的机械和电学稳定性，而目前现有传感器在极端环境下的性能仍停留在理论潜力层面，缺乏实际应用验证，开发兼具高灵敏度、宽检测范围和极端环境稳定性的柔性传感材料成为迫切需求。
基于此，作者受自然界多梯度结构（如马蹄的梯度架构）启发，提出自下而上的自组装策略，通过电纺、逐层冷冻和热亚胺化多步协同方法，制备出聚酰亚胺纳米纤维 / 碳纳米管双梯度气凝胶。该气凝胶具有从高密度小孔到低密度大孔的动态转变结构，作者通过有限元分析系统探究了梯度结构变形机制与材料性能的耦合关系，全面表征了气凝胶的微观结构、化学组成、机械性能、传感性能和隔热性能，并验证了其在人体生理信号监测、运动检测及极端环境热防护中的应用潜力。
（1）实验药品是均苯四甲酸二酐（PMDA）、三乙胺（TEA）、多壁碳纳米管（CNTs）、4,4'- 二氨基二苯醚（ODA）、N,N - 二甲基乙酰胺（DMAc）、去离子水。
（2）实验步骤是：首先，通过 ODA 与 PMDA 的缩聚反应合成聚酰胺酸（PAA），再加入 TEA 搅拌过夜并冷冻干燥得到 PAA-TEA 粉末；随后，在 0°C 下将 ODA 溶解于 DMAc，分批加入 PMDA 并在冰浴中反应 5 小时制备 15% 浓度的纺丝液，通过电纺技术制备 PAA 纳米纤维；接着，将 CNT 粉末加入去离子水，经细胞破碎机制备 8mg/mL 的 CNT 前驱体溶液；之后，将 PAA 纳米纤维膜剪碎分散于去离子水，经均质化处理得到不同浓度的 PAA 纳米纤维悬浮液，再与 PAA-TEA 交联溶液、CNT 前驱体溶液混合均匀；采用逐层冷冻法，以液氮为冷源、铜块为基底，依次将不同浓度的悬浮液注入定向冷冻装置，在上一层即将完全凝固时加入下一层悬浮液以保证界面结合，冷冻后真空干燥 48 小时；最后，将材料置于马弗炉中，以 3°C / 分钟的速率升温，在 100°C、200°C、300°C 下进行热亚胺化 1 小时，得到双梯度 PINF@CNTs 气凝胶。非梯度气凝胶的制备流程相同，仅使用单一浓度悬浮液。
（3）测试表征方法：采用扫描电子显微镜表征纳米纤维气凝胶的微观结构；利用傅里叶变换红外光谱分析气凝胶的化学结构；通过光学接触角测量仪测定材料的水接触角；使用微机控制电子万能材料试验机评估材料的机械性能；借助热重分析仪在空气氛围下获取材料的热重曲线；采用红外热像仪和热电偶分别评估气凝胶的隔热性能和实时表面温度；利用源表测量气凝胶的传感性能；通过瑞典 Hot Disk 的 TPS3500 热常数分析仪在 19.7°C 环境下测量气凝胶的热导率；使用 ImageJ 软件对 SEM 图像进行自动统计分析和手动标记以确定气凝胶的孔径。
Q:各个组分的作用是 ？聚酰亚胺纳米纤维（PINF）的作用是构成气凝胶的多孔骨架，凭借其优异的热稳定性、化学惰性、高强度和超轻特性，为气凝胶提供良好的机械韧性和极端温度耐受性；碳纳米管（CNTs）的作用是赋予气凝胶优异的导电性，构建导电网络，使气凝胶在受压时通过导电网络重构产生电阻变化，从而实现压力传感功能；聚酰胺酸（PAA）的作用是作为制备聚酰亚胺纳米纤维的前驱体，其纺丝液经电纺可形成均匀的纳米纤维膜；三乙胺（TEA）的作用是参与 PAA-TEA 的合成，PAA-TEA 作为粘结剂能够增强纤维网络的结构稳定性和机械强度；N,N - 二甲基乙酰胺（DMAc）的作用是作为溶剂，用于溶解 ODA、PMDA 等原料，制备纺丝液和反应体系。
图 1 主要内容和数据：围绕双梯度纳米纤维气凝胶的仿生设计与应用展开，灵感源自马蹄的梯度结构（外层高密度小孔、内层低密度大孔）。制备流程包含原料混合、均质分散、逐层冷冻、冷冻干燥、热亚胺化等步骤，最终得到密度为 0.023g/cm³ 的双梯度气凝胶。应用测试数据显示，该气凝胶在极冷条件下仍能保持稳定的压阻响应，在极热环境中具有良好的隔热性能，左侧曲线体现了极端寒冷对其性能影响极小，右侧曲线验证了其高效隔热效果，可满足航天服中健康监测与热防护的双重需求。
图 2 主要内容和数据：聚焦双梯度气凝胶的压缩变形机制与形态结构表征。SEM 图像显示，不同浓度梯度单元的气凝胶孔径从 17.81μm（20mg/cm³ 浓度层）到 61.60μm（12mg/cm³ 浓度层）梯度变化。有限元模拟表明，双梯度气凝胶呈现逐层变形模式，而非梯度气凝胶为同步变形。FT-IR 光谱显示，PI 相关特征峰（1776cm⁻¹、1718cm⁻¹ 等）的出现证明 PAA 成功聚合为 PI。热重分析数据显示，PINF@CNTs 气凝胶的起始分解温度为 533.30°C，最大分解速率温度为 602.27°C，虽略低于纯 PINF 气凝胶（起始分解温度 547.42°C、最大分解速率温度 627.81°C），但仍具备优异的热稳定性。
图 3 主要内容和数据：详细阐述双梯度气凝胶的机械性能。该气凝胶具有良好的柔韧性和恢复性，80% 应变下仍能保持高恢复性，其应力和压缩模量显著高于非梯度气凝胶。应力 - 应变曲线显示，双梯度气凝胶在压缩初期模量较低，随变形增加模量显著上升，实现从柔性到刚性的动态转变。能量吸收曲线表明其具有逐步承载的能量吸收能力。循环测试数据显示，经 1000 次 50% 应变加载后，最大应力仍达 9.36kPa，塑性变形仅 15.3%。雷达图对比显示，双梯度气凝胶在最大载荷、最大应力、压缩模量、能量吸收和比能量吸收等方面均优于非梯度气凝胶，且在室温、极冷、极热环境下均能保持良好的机械弹性，无明显结构损伤。
图 4 主要内容和数据：展示双梯度气凝胶的优异传感性能。该气凝胶因 CNTs 的存在形成良好导电网络，压力传感器的检测范围达 223kPa，显著高于非梯度气凝胶的 107kPa。灵敏度方面，在 0-3.2kPa 范围内为 156MPa⁻¹，3.2-13.4kPa 范围内为 14MPa⁻¹，13.4-38.3kPa 范围内为 2MPa⁻¹，38.3-223kPa 范围内为 0.002MPa⁻¹，整体灵敏度优于非梯度气凝胶。不同应变下的电阻响应曲线显示其在 0.6-223kPa 压力范围内相对电阻变化稳定，1000 次压缩 - 卸载循环后电阻几乎无变化，具备良好的耐久性。应用测试中，成功实时记录手腕脉搏信号（频率 70 次 / 分钟），并精准监测站立、行走、跑步时的足底压力变化，同时能响应手指弯曲、手腕活动等细微运动。
图 5 主要内容和数据：呈现双梯度气凝胶的高效隔热性能。气凝胶孔隙率达 98.41%，有效热导率为 28mW・m⁻¹・K⁻¹，其传热机制中热对流和热辐射的贡献极小，固体传导和气体传导被显著抑制。将 15.0mm 厚的气凝胶置于 200°C 加热板上 300 秒后，表面温度仅 43.6°C，上下表面温差达 152.3°C，优于非梯度气凝胶（表面温度 56.8°C，温差 139.7°C）。低温测试中，冷板温度降至 - 29.5°C 时，气凝胶上表面最低温度为 11°C，稳定后约 18.7°C；模拟光源照射 30 分钟后，气凝胶温度可达 67.6°C。在 200°C 高温和 - 196°C 液氮环境中，气凝胶压缩后仍能恢复原状，无结构损伤，且在不同温度环境下的压阻响应稳定，相对电阻变化一致为 0.43，同时对人体手掌具有良好的隔热效果，表面温度稳定在约 26.2°C。
Q: 本论文中所制备的材料为何性能优异？🟢️所制备的材料性能优异的原因主要包括以下几点：一是仿生双梯度结构设计，受马蹄梯度架构启发，形成从高密度小孔到低密度大孔的梯度分布，实现逐层变形机制，既保证了低压力下的高灵敏度（低密度大孔层易变形），又拓展了高压力下的检测范围（高密度小孔层提供支撑），解决了灵敏度与检测范围的固有矛盾；二是优质的组分协同作用，聚酰亚胺纳米纤维作为骨架赋予材料超低密度（0.023g/cm³）、优异的热稳定性（-196°C 至 533.30°C 耐受范围）和机械韧性，碳纳米管提供高效导电网络，确保传感性能，PAA-TEA 粘结剂增强了纤维网络的结构稳定性和机械强度；三是精细的制备工艺，通过电纺技术获得均匀的纳米纤维，逐层冷冻法保证了梯度层间的紧密结合，避免了界面分离问题，热亚胺化过程完善了聚酰亚胺的化学结构，进一步提升材料的机械和热学性能；四是高孔隙率带来的隔热优势，98.41% 的孔隙率有效阻断了热传导路径，显著降低了热导率（28mW・m⁻¹・K⁻¹），实现高效隔热。
总之，论文的创新性是：受自然界多梯度结构启发，提出自下而上的自组装与逐层冷冻相结合的制备策略，首次成功制备出具有从柔性到刚性动态刚度转变的聚酰亚胺纳米纤维 / 碳纳米管双梯度气凝胶，创新性地将双梯度结构（密度和孔径梯度）引入柔性压力传感器材料设计，有效解决了传统传感器灵敏度与检测范围难以兼顾的技术瓶颈。通过系统探究梯度结构变形机制与材料性能的耦合关系，揭示了逐层变形对传感性能优化的内在机理，同时该材料整合了聚酰亚胺的极端温度耐受性与碳纳米管的高导电性，实现了 - 196°C 至 533.30°C 宽温域内的机械和传感稳定性，兼具超低密度、高效隔热、抗疲劳性等多重优异性能，突破了传统柔性传感器在极端环境下应用的限制，为航天等苛刻领域提供了集热防护与健康监测于一体的多功能材料解决方案。
https://doi.org/10.1038/s41467-025-66627-6
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