由于可穿戴電子設(shè)備的快速發(fā)展，迫切需要具有高靈敏度、低成本和寬響應(yīng)范圍的柔性壓阻傳感器。在這里，碳納米管（CNTs）/石墨烯/水性聚氨酯（WPU）/纖維素納米晶（CNC）復(fù)合氣凝膠（CNTs/石墨烯/WC）通過簡便的溶液混合和冷凍干燥技術(shù)制備，用于高性能壓力傳感器。WPU和CNC被構(gòu)建為3D結(jié)構(gòu)骨架，CNT的協(xié)同效應(yīng)有助于增強(qiáng)傳感性能。 所獲得的壓力傳感器具有高度多孔的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、卓越的機(jī)械性能（76.16 kPa）、高靈敏度（0.25 kPa
-1）、超低檢測限（0.112 kPa）和高穩(wěn)定性（> 800次循環(huán)）。更重要的是，壓阻傳感器可以成功地用于檢測各種人體運(yùn)動(dòng)，如手指彎曲、蹲起、步行和跑步，并通過電信號(hào)有效地提取實(shí)時(shí)信息。此外，CNTs/石墨烯/WC復(fù)合氣凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的隔熱性能，可長時(shí)間承受160°C而不損壞結(jié)構(gòu)。碳納米管/石墨烯/WC復(fù)合氣凝膠，由于其隔熱性能，賦予傳感器在高溫環(huán)境中的應(yīng)用潛力。結(jié)果表明，CNTs/石墨烯/WC復(fù)合氣凝膠具有高傳感性能和出色的隔熱性能，這意味著該氣凝膠可用作柔性、可穿戴電子產(chǎn)品。
圖 1. （a）CNTs/石墨烯/WC 復(fù)合氣凝膠的制備示意圖和（b） CNTs/石墨烯/WC 復(fù)合氣凝膠的數(shù)字圖片。
圖 2. WC (a-c)、CNTs/WC (d-f) 和石墨烯/WC (g-i) 在不同放大倍數(shù)下的 SEM 圖像。
圖 3. (a-c)不同放大倍數(shù)下 CNTs/石墨烯/WC 復(fù)合氣凝膠的 SEM 圖像。 (d-f) 和側(cè)視 SEM 圖像。
圖 4. WPU, WC, graphene/WC, CNTs/WC,
和CNTs/graphene/WC的紅外圖（左）和XRD圖（右）
圖 5. (a, b) CNTs/石墨烯/WC在120℃ 和 (c, d) 160℃ 的穩(wěn)定加熱源上的紅外熱成像照片。
圖 6. (a) CNTs/graphene/WC 在壓縮和釋放過程中的照片。 (b) WPU、WC 和 CNTs/石墨烯/WC 的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 (c) 不同循環(huán)后 10% 和 30% 最大應(yīng)變下 CNTs/石墨烯/WC 的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
圖 7. (a) CNTs/WC、(b) 石墨烯/WC 和 (c 和 d) CNTs/石墨烯/WC 在不同壓力下的實(shí)時(shí)電阻響應(yīng)。 (e) CNTs/石墨烯/WC復(fù)合氣凝膠在0.112 kPa壓力下的相對電阻變化。(f) CNTs/WC、石墨烯/WC和CNTs/石墨烯/WC壓力傳感器的靈敏度。 (g) CNTs/graphene/WC-based sensor 對力的響應(yīng)分別為 0.5、1.0 和 1.5 mm/s。 (h) CNTs/graphene/WC 的響應(yīng)時(shí)間。(i) CNTs/graphene/WC 在1.568 kPa壓力下連續(xù) 800 次壓縮-釋放循環(huán)的穩(wěn)定性能。 (j) 近年來報(bào)道的基于氣凝膠的柔性傳感器傳感性能的比較。
圖 8. (a) 循環(huán)壓縮示意圖。 (b) CNTs/graphene/WC 在施加壓力下結(jié)構(gòu)變化的示意圖和機(jī)械說明。
圖9. 使用碳納米管/石墨烯/碳化鎢復(fù)合氣凝膠實(shí)時(shí)監(jiān)測各種人體活動(dòng)，包括(a)手指彎曲，(b)手腕彎曲，(c)肘部彎曲，(d)蹲起，(e)行走和(f)跑步。
相關(guān)科研成果由四川大學(xué)Ronghui Guo等人于2021年發(fā)表在ACS Sustainable Chemistry&Engineering（https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c03068）上。原文：Flexible Waterborne Polyurethane/Cellulose Nanocrystal Composite Aerogels by Integrating Graphene and Carbon Nanotubes for a Highly Sensitive Pressure Sensor。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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