高靈敏度柔性應(yīng)變傳感器是人工智能和可穿戴電子設(shè)備的關(guān)鍵裝置。具體而言，本工作的目的是研究設(shè)計(jì)石墨烯-SiO
2球增強(qiáng)(GSB-enhanced)三維(3D)石墨烯泡沫(GSBF)電極結(jié)構(gòu)，將其與柔性材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)相結(jié)合，用于高靈敏度應(yīng)變傳感器。GSBF/PDMS應(yīng)變傳感器由于其獨(dú)特的力學(xué)和導(dǎo)電性能，具有拉伸率為50%、響應(yīng)時(shí)間小于128 ms及靈敏度高(應(yīng)變系數(shù)GF = 103，應(yīng)變變化范圍為0-13%)等優(yōu)異性能。此外，在沒(méi)有顯著阻力增量的情況下，其具有300多次加載-卸載循環(huán)的高穩(wěn)定性。該傳感器可用于多種可穿戴應(yīng)用，包括監(jiān)測(cè)手指運(yùn)動(dòng)、脈搏比、髕骨反射時(shí)膝關(guān)節(jié)的應(yīng)變以及肘關(guān)節(jié)、手腕、腳掌等的運(yùn)動(dòng)。研究表明，機(jī)器人系統(tǒng)、醫(yī)療保健和靈活的電子應(yīng)用領(lǐng)域的潛在能力，成本更低，更容易獲得。
圖1. (a) GSBF/PDMS柔性應(yīng)變傳感器制作工藝示意圖，(b) GSBF/PDMS傳感器照片，(c) GSBF/PDMS傳感器拉伸50%的照片。
圖2. (a) GSBF/PDMS應(yīng)變傳感器彎曲和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，(b) GO和GSBF的XRD譜圖，(c) GO和GSBF的Raman譜圖，(d) GSBF的SEM圖，(e)和(f)復(fù)合材料不同放大率下斷裂面的SEM圖。
圖3. (a)不同應(yīng)變范圍下GSBF復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn);(b) 5-50%應(yīng)變時(shí)GSBF復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)
圖4. (a)和(b) GSBF的SEM微觀(guān)形貌，(c)和(d) GSBF元素對(duì)應(yīng)的EDS映射圖。
圖5. (a)應(yīng)變?yōu)?0-50%時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，(b)應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)GSBF/PDMS傳感器10次循環(huán)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，(c)傳感器測(cè)試照片，(d)電阻隨應(yīng)變的相對(duì)變化。
圖6. (a)傳感器在10%、20%、30%應(yīng)變時(shí)的相對(duì)電阻變化，(b) GSBF應(yīng)變傳感器的響應(yīng)時(shí)間，(c) GBSF應(yīng)變傳感器的工作機(jī)理。
圖7. (a)拉伸-松弛循環(huán)測(cè)試GSBF圖像，(b)應(yīng)變傳感器300次拉伸-松弛循環(huán)響應(yīng)曲線(xiàn)。
圖8. 用于人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的GSBF/PDMS應(yīng)變傳感器。傳感器附著在身體不同部位的相對(duì)電阻:(a)肘部，(b)手腕，(c)手指，(d)脈搏，(e)膝蓋，(f)腳底。
相關(guān)研究成果由重慶大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)重慶學(xué)院Chongsheng Yu等人于2022年發(fā)表在Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures (https://doi.org/10.1016/j.physe.2022.115187)上。原文：Highly sensitive flexible strain sensor based on GSB-enhanced three-dimensional graphene composite。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
