SiO₂气凝胶具有低密度、极低热导率和良好的化学稳定性等特点, 在航空航天、建筑节能和能源化工等领域具有广阔的应用前景。然而, 传统SiO₂气凝胶相邻颗粒间形成珍珠项链状结构, 导致其脆性大且回弹性差。通过以纳米纤维为结构单元制备SiO₂纤维气凝胶, 能够有效克服传统颗粒气凝胶的脆性, 提升压缩回弹性, 但其压缩回弹机理尚不明确。本研究通过静电纺丝技术制备柔性SiO₂纳米纤维, 分析了煅烧温度对纤维相结构及柔性的影响, 揭示了纤维的柔性机理。在此基础上, 采用冷冻干燥法以柔性纤维为结构单元制备了SiO₂纤维气凝胶, 探究了固含量对孔结构、强度和回弹性能的影响规律, 基于有效纤维长度的屈曲变形理论揭示了压缩回弹机理。结果表明, 煅烧温度影响SiO₂纳米纤维的非晶结构和柔性, 随着煅烧温度升高, SiO₂的短程有序度增加, 导致纤维柔性变差。SiO₂纤维气凝胶的压缩回弹性与固含量密切相关。0.5%(质量分数)固含量的气凝胶表现出较好的压缩回弹性, 能量损失系数为0.6, 压缩回弹率为55.2%。气凝胶的压缩回弹性取决于有效纤维长度和纤维最小曲率半径, 基于纤维屈曲变形理论和实验结果建立并验证了三者之间的压缩回弹模型。纤维柔性越好, 屈曲变形时的曲率半径越小, 并且有效纤维长度越长, 气凝胶的压缩回弹率越高。本研究为高回弹性SiO₂纤维气凝胶的设计与制备提供了理论指导。

柔性热电器件可以利用人体与环境之间的微小温差发电, 在可穿戴设备的持续供电领域展现出巨大的潜力, 但较低的热电性能限制了柔性热电器件的广泛应用。本研究报道了一种利用喷墨打印制备高性能柔性热电薄膜的方法。将利用化学转移法制备的AgCuTe纳米线分散在乙醇溶剂中, 得到的墨水无明显沉降, 能稳定持续喷射, 将其喷印在聚酰亚胺衬底上得到p型热电薄膜。随后利用放电等离子烧结炉进行热处理, 得到了致密的热电薄膜, 并研究了烧结温度对热电性能的影响。结果表明, 在10 MPa、400 ℃下烧结15 min后, 室温下薄膜功率因子为432 µW·m^-1·K^-2, 比现有文献报道的喷墨打印p型Bi₂Te₃薄膜的室温功率因子(153 µW·m^-1·K^-2)提高了182%。本研究进一步拓宽了喷墨打印在柔性热电器件领域的应用, 同时也为制备新一代高性能柔性热电器件提供了更多可能。

柔性压电材料作为一类重要的功能材料, 具有韧性好、可塑性强、轻量化等优点, 可以实现机械能和电能的相互转换, 并贴附在人体上实时获取人体或环境信息, 在运动检测、健康监测、人机交互等领域具有广阔的应用前景。为满足人们对柔性压电材料结构不断提高的要求, 增材制造技术被广泛用于制造压电材料。该技术有望突破传统压电材料加工和生产的技术瓶颈, 极大提升柔性压电产品的结构自由度和性能, 从而推动柔性压电材料应用的变革。本文在介绍压电材料分类和性能的基础上, 系统阐述了增材制造柔性压电材料的主要工艺种类, 包括熔融沉积、墨水直写、选择性激光烧结、电辅助直写、光固化和墨水喷射等; 总结了增材制造柔性压电材料的结构, 主要有多层结构、多孔结构和叉指结构; 介绍了增材制造柔性压电材料在能量收集、压电传感器、人机交互和生物工程中的应用进展; 最后总结和展望了增材制造柔性压电材料面临的挑战以及未来发展趋势。

近年来, 钙钛矿太阳能电池发展迅速, 其光电转换效率(Power Conversion Efficiency, PCE)已经提高到26.1%, 但是柔性钙钛矿太阳能电池(Flexible Perovskite Solar Cells, F-PSCs)的机械弯曲和环境稳定性仍然是其商业化的主要障碍。本研究通过添加琼脂糖(Agarose, AG)以改善薄膜的质量和结晶性能, 系统探究了AG对钙钛矿的作用机理, 组装成的F-PSCs的PCE和机械弯曲及环境稳定性能。研究发现当AG添加浓度达到最优值3 mmol/L时, 薄膜表面变得更为致密平滑, 钙钛矿结晶度和吸光度增加。此时器件的陷阱态密度降到最低, 电荷传输电阻低至2191 Ω, 光电性能达到最佳, PCE由15.17%提升至17.30%。进一步引入TiO₂纳米颗粒(0.75 mmol/L), 与AG(3 mmol/L)共同作用, 可以提供刚性骨架结构, 增强钙钛矿层的机械性能和环境稳定性。循环弯曲1500次(半径为3 mm)后, AG/TiO₂共添加器件可保持初始PCE的84.73%, 远高于空白器件的9.32%; 在空气中放置49 d后, 该器件仍可保持初始PCE的83.27%, 优于空白器件的62.21%。该研究成果为制备高效且稳定的F-PSCs提供了可能性。

开发新型低维材料在太赫兹电磁屏蔽与吸收领域的应用是一个极为重要的研究方向, 低维材料以其独特的电学、力学与电磁响应而有望创造出更加高效的电磁屏蔽与吸收方案。二维过渡金属碳化物、氮化物与碳氮化合物MXenes在低频波段已经展示出优异的电磁屏蔽与吸收性能, 尤其是MXenes兼具高电导率、低密度、高柔性等特点, 有利于未来太赫兹器件便携化与系统集成化。然而, 将MXenes太赫兹电磁屏蔽与吸收材料推向实际应用过程中, 面临着附着稳定性、环境稳定性、不耐高温等问题, 无法满足航空航天和第六代通信场景需求。此外，目前缺乏更加全面的太赫兹散射与吸收验证手段。针对上述问题，研究人员开展了广泛且深入的工作。本文回顾了近年来主流电磁屏蔽与吸收材料的主体构型与基础理论原理, 并重点介绍了多种MXenes及其复合物在薄膜与多孔结构下的太赫兹电磁屏蔽与吸收特性, 包括Ti₃C₂T_x、Mo₂Ti₂C₃T_x、Mo₂TiC₂T_x、Nb₄C₃T_x、Nb₂CT_x, 并展望了MXenes作为太赫兹频段中电磁屏蔽与吸收材料所面临的挑战和机遇。

近年来, 压力传感器在智能可穿戴纺织品、健康监测、电子皮肤等领域得到了广泛应用。二维纳米材料MXene的出现, 为压力传感带来了全新的突破。Ti₃C₂T_x是压力传感领域研究最多的MXene, 具有良好的机械性能、高导电性、优异的亲水性以及广泛的可修饰性, 是理想的压力传感材料。因此, 近些年研究者们对MXene在压力传感器中的设计和应用进行了大量探索和研究。本文总结了MXene的制备技术和抗氧化方法。同时介绍了基于MXene的微结构设计, 包括气凝胶/多孔结构材料、水凝胶、柔性衬底和薄膜。该类设计有利于提高压力传感器的响应范围、灵敏度和柔韧性, 促进了压力传感器的快速发展。此外, 进一步探讨了MXene压力传感器的工作机制, 包括压阻式、电容式、压电式、摩擦电式、电池式和纳米流体式等。MXene以其优异的特性而在各种机制的传感器中得到了广泛应用。最后, 对MXene材料的合成、性质以及其在压力传感方面的机遇和挑战进行了展望。

二维过渡金属碳/氮化物(MXenes)自2011年被首次报道以来, 凭借其特殊的二维层状结构、优异的导电性和电化学性能在能源、催化、传感、电磁屏蔽和微波吸收等领域吸引了极大关注。近几年, 随着对该材料认识的不断加深, 其在光电领域的研究也不断深入。与其它领域不同, 光电器件聚焦于延伸MXenes材料半导体性质, 通过设计表面官能团、精准控制层数等来打开材料带隙, 从而使其从金属性质转变为半导体性质。本文主要围绕MXenes材料的光电性质, 介绍其在柔性光电子器件中的应用, 系统阐述MXenes材料在透明电子器件、光电探测器、图像传感器、光电晶体管、人工神经视觉网络系统的应用前沿现状与趋势, 并展望了MXenes基柔性光电器件面临的挑战以及未来发展前景。

柔性传感器可以适应各种复杂环境和曲面形状, 在生物医学、环境监测和智能可穿戴设备等领域具有广泛的应用前景。本研究旨在研发高稳定性的荧光淬灭型柔性氧敏感元件。采用硅酸铝纤维作为载体, 聚二甲基硅氧烷(Polydimethysiloxane, PDMS)作为基质, 四(五氟苯基)卟啉铂(Platinum(II)-5,10,15,20-tetrakis-(2,3,4,5,6-penta- fluorophenyl)-porphyrin, PtTFPP)荧光分子作为氧探针, 制备了柔性氧敏感元件。该元件的水接触角高达152°, 显示出超疏水性, 这有助于提升其在潮湿气氛和水溶液中的稳定性。元件对气相氧和溶解氧均表现出荧光淬灭效应, 荧光强度与氧含量之间的关系符合Stern-Volmer方程, 其气相Stern-Volmer常数K_SV为0.020 h·Pa^-1, 水相Stern-Volmer常数K_SV为2.94 L·mmol^-1。该氧敏感元件具有出色的循环可恢复性和响应性能: 从氮气切换至氧气的响应时间为0.9 s, 从氧气切换至氮气为2.7 s。此外, PtTFPP-PDMS膜具有出色的稳定性, 暴露于100 ℃水蒸气15 h、在pH 1~10的水溶液中浸泡和经历400次的弯曲循环后, 其相对荧光强度和水接触角均无明显变化。以硅酸铝纤维为载体的 PtTFPP-PDMS柔性元件具有优异的荧光氧敏感性和稳定性, 有望用于苛刻条件下气相氧和溶解氧的测定。

硒(Se)因其较高的体积比容量(3253 mAh·cm^-3)和电子电导率(1×10^-5 S·m^-1)而成为新一代锂硒(Li-Se)电池储能材料。针对其反应过程中体积膨胀较大、容量衰减较快以及活性物质利用率低等问题, 本研究通过在碳布(CC)上生长二维Zn基金属有机框架(ZIF-L)并碳化, 设计了一种ZIF-L衍生氮掺杂碳纳米片/硒自支撑复合材料(Se@NC/CC)用于锂硒电池研究。ZIF-L碳化形成的氮掺杂碳纳米片中丰富的微孔结构有效缓解了反应过程中的体积膨胀, 掺杂N原子有利于吸附反应过程中的Li₂Se, 减少活性物质损失。特别地, Se@NC/CC电极中Se和C之间存在强的化学键作用, 在一定程度上也可以减少活性物质损失, 提高整体性能稳定性。电化学测试表明, 在0.5C(1.0C=675 mAh·g^-1)电流密度下, Se@NC/CC电极的初始放电比容量为574 mAh·g^-1, 展现出高初始放电比容量; 电流密度为2.0C时, 初始放电比容量为453.3 mAh·g^-1, 循环500圈后仍然具有406.2 mAh·g^-1的容量; 同时也表现出了良好的倍率性能, 与文献报道相比有较明显的优势。本研究设计的柔性自支撑硒电极为先进碱金属-硒电池的硒宿主材料设计提供了新的研究思路。