迷宮式垂直石墨烯網(wǎng)絡(luò)及其超靈敏拉伸應(yīng)變傳感器的構(gòu)建
迷宮式垂直石墨烯網(wǎng)絡(luò)及其超靈敏拉伸應(yīng)變傳感器的構(gòu)建
可穿戴傳感器可以檢測(cè)各種物理和生理信號(hào)。它們廣泛應(yīng)用于軟件機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)傳感、電子皮膚和個(gè)人健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，其中拉伸性和靈敏度是可穿戴傳感器的兩個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)，目前，聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚酯、軟紗、聚氨酯等高分子材料被廣泛用作高柔性傳感材料。斯特拉特采用碳納米管、碳纖維、石墨烯、納米線及其復(fù)合材料等高導(dǎo)電材料來(lái)提高傳感器元件的靈敏度，但實(shí)現(xiàn)傳感器的寬檢測(cè)范圍和高靈敏度仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。
最近，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的Chun H.Wang教授利用垂直生長(zhǎng)的以迷宮網(wǎng)絡(luò)形態(tài)為導(dǎo)電材料的石墨烯納米片（VGN）和以PDMS為上下柔性基底的垂直生長(zhǎng)的石墨烯納米片（VGN）構(gòu)建了一種夾層式柔性傳感器，該柔性器件具有優(yōu)異的可伸縮性（Stretchab靈敏度可達(dá)120%，靈敏度高（應(yīng)變系數(shù)K至32.6），同時(shí)可通過調(diào)整石墨烯層的厚度來(lái)調(diào)節(jié)器件的靈敏度和伸縮性。隨著石墨烯層厚度的增加，靈敏度增加，拉伸性降低，柔性傳感器對(duì)溫度和各種液體（如水和0.1 m氯化鈉溶液模擬人體汗液）不敏感，適用于穿戴設(shè)備。
VGN由多層石墨烯組成，壁厚1-5nm，高度約7微米。它具有空腔結(jié)構(gòu)，底部為緩沖薄碳層，側(cè)面為支狀石墨烯層，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使VGN具有較高的導(dǎo)電性，有利于PDMS隨后的柔性改性，研究人員通過對(duì)PDMS的滲透和固化，分別構(gòu)建了兩層和三層傳感器。
對(duì)比試驗(yàn)表明，三層系統(tǒng)傳感器具有較好的靈敏度（K~32.6）和柔性（最大拉伸速率為120%）。在1000多個(gè)可逆拉伸循環(huán)中，R/R0沒有顯著降低，同時(shí)，三層體系的R/R0延遲較?。▋蓪芋w系為21%，三層體系為6.7%）。
此外，材料體系在不同拉伸狀態(tài)下的形態(tài)/結(jié)構(gòu)變化表明，拉伸初始階段拉伸應(yīng)變的主要承載體是上下層的PDMS基體；隨著應(yīng)變的增加，拉伸應(yīng)變逐漸轉(zhuǎn)移到中間的VGN層；當(dāng)應(yīng)變進(jìn)一步增大，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生越來(lái)越多的裂紋，但在VGN層的裂紋之間仍有一個(gè)石墨烯/PDMS橋接結(jié)構(gòu)，使其成為可能，系統(tǒng)的導(dǎo)電過渡狀態(tài)在高壓下保持，同時(shí)，器件的靈敏度可以通過AD進(jìn)一步提高。調(diào)整vgn層的厚度。當(dāng)vgn的厚度為13微米時(shí)，K達(dá)到88.4。
此外，該傳感器在壓力靈敏度方面也表現(xiàn)出良好的靈敏度，厚度分別為13、7、2微米的VGN的靈敏度（kz=r/r0/p）分別為0.030、0.014、0.002，可適應(yīng)不同的溫度和液體環(huán)境（水、0.1 m NaCl溶液）。在人體運(yùn)動(dòng)和生理監(jiān)測(cè)的應(yīng)用中顯示出良好的實(shí)用性能。
本文采用迷宮網(wǎng)絡(luò)形態(tài)垂直生長(zhǎng)的石墨烯納米片作為導(dǎo)電介質(zhì)。通過夾層器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，構(gòu)建了一種可伸縮、高靈敏度的應(yīng)變傳感器，該柔性傳感器在監(jiān)測(cè)人體脈搏、肌肉運(yùn)動(dòng)等細(xì)微運(yùn)動(dòng)以及手指關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)等大范圍運(yùn)動(dòng)方面具有良好的實(shí)用性。它在柔性可穿戴電子器件中具有廣闊的應(yīng)用前景。
基于迷宮式垂直石墨烯網(wǎng)絡(luò)的超靈敏可伸縮應(yīng)變傳感器
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