石墨烯基氣凝膠(GAS)由于具有高壓縮性和高導(dǎo)電性，在壓力傳感領(lǐng)域得到了廣泛的研究。但通常采用的高溫處理一般都會破壞其柔韌性和穩(wěn)定性。制備具有寬線性范圍和可靠循環(huán)性能的壓阻式傳感器仍然是一項具有挑戰(zhàn)性的工作。在此，展示了一種基于甲基纖維素增強氧化石墨烯(MC/GA)氣凝膠的優(yōu)良的寬范圍壓阻傳感器。為了合理控制MC和GA之間的分子間作用力和化學(xué)鍵，建議在120°C下進行水蒸氣還原。有限元分析表明，層狀孔隙起皺的片層有利于減小應(yīng)力集中。由于MC/GA采用增強、取向和褶皺的層狀氣孔相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，因此在很寬的范圍內(nèi)(0-17kPa，R2>0.997)具有優(yōu)越的線性，高靈敏度(9.38kPa
−1)，響應(yīng)時間短(<40ms)，以及可靠的循環(huán)性能(>99%的保留率)。作為演示，MC/GA傳感器可以監(jiān)測上嘴唇、喉嚨或手腕的生命體征，并可以感知手指、肘部和腳的大幅運動。這些優(yōu)點使得MC/GA傳感器在各種健康監(jiān)測和運動檢測領(lǐng)域有著巨大的潛力。
Figure 1. MC/GA的制作工藝及光學(xué)圖像。a)描述MC/GA四步制作過程的原理圖;b)由花蕊支撐的MC/GA的光學(xué)圖像，顯示其密度低;c) MC/GA的光學(xué)圖像，經(jīng)過一個周期的壓縮和恢復(fù)，并伴隨著LED的照明變化。
Figure 2. 不同配比的MC/GA的SEM圖像。a,b) MC:GO = 2:1 (MC/GA-2);c,d) MC:GO = 1.5:1 (MC/GA-1.5);e,f) MC:GO = 1:1 (MC/GA-1);MC:GO = 1:15 .5 (MC/GA-0.7);MC:GO = 1:2 (MC/GA-0.5)。
Figure 3. 不同蒸煮時間的MC/GA-1的SEM圖像。a、b) 0分鐘;c, d) 10分鐘;e、f) 30分鐘;g h) 60分鐘;i, j) 120分鐘。
Figure 4. MC、GO、MC/GOA-1和MC/GA-1-60 min的化學(xué)微觀結(jié)構(gòu)和熱性能。a) FT-IR, b) Raman, c) XPS, e) GO、MC/GOA-1和MC/GA-1-60 min的XRD譜;d) MC/GOA-1和MC/GA-1-60 min的高分辨率XPS C 1s光譜;f) MC、GO、MC/GOA-1、MC/GA-1-60 min的TG曲線。
Figure 5. MC/GA-1的各向異性力學(xué)和回彈性能。a) MC/GOA-1和MC/GA-1在5 mm/min轉(zhuǎn)速下的壓縮力學(xué)性能;b) MC/ GA -1- 60min的壓縮力學(xué)性能隨壓縮應(yīng)變的變化，插入:MC/ GA -1- 60min在ε= 0%、60%、80%和90%狀態(tài)下的SEM圖像;c) MC/ GA -1- 60min在2 mm/min轉(zhuǎn)速下的循環(huán)壓縮性能;MC/ GA -1- 60min的壓縮力學(xué)性能:d)法向，e)與片層平行，插入:壓縮方向示意圖;f)各向同性MC/GA的壓縮力學(xué)性能，插入:壓縮方向示意圖;g)隨機排列、h)有序排列和i)有序多孔片層的氣凝膠壓縮應(yīng)力有限元分析。
Figure 6. MC/GA-1-60 min的電學(xué)表征和壓阻傳感性能。a) I-V曲線作為施加壓力的函數(shù);b) 4.4 Pa壓力傳感;c)不同施加壓力下的響應(yīng)和恢復(fù)時間;d)壓敏特性;e) ΔI/I
0對壓力;f) 4.4 Pa的壓-解壓試驗;h) 35%壓縮應(yīng)變下的20 000個重復(fù)循環(huán)，g)前20個循環(huán)，i)后20個循環(huán);j) strain-sensing屬性;k) bending-sensing性質(zhì);l)靈敏度比較;和線性范圍。
Figure 7. 基于MC/ GA的壓阻式傳感器應(yīng)用演示。生命體征:a)呼吸;b)不同字母的發(fā)音;c)手腕脈搏;人體運動檢測:d)手指彎曲，e)肘部彎曲，f)行走時足底壓力。傳感器陣列:g)紙信的壓力。
相關(guān)研究工作由國防科技大學(xué)Zhenhua Jiang課題組于2021年發(fā)表在《ADVANCED MATERIALS TECHNOLOGIES》上，原文：A Wide-Range Linear and Stable Piezoresistive Sensor Based on Methylcellulose-Reinforced, Lamellar, and Wrinkled Graphene Aerogels。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
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