迷宮式垂直石墨烯網絡及其超靈敏拉伸應變傳感器的構建
迷宮式垂直石墨烯網絡及其超靈敏拉伸應變傳感器的構建
可穿戴傳感器可以檢測各種物理和生理信號。它們廣泛應用于軟件機器人、運動傳感、電子皮膚和個人健康監測等領域，其中拉伸性和靈敏度是可穿戴傳感器的兩個關鍵性能參數，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、納米線及其復合材料等高導電材料來提高傳感器元件的靈敏度，但實現傳感器的寬檢測范圍和高靈敏度仍然是一項具有挑戰性的任務。
最近，澳大利亞新南威爾士大學的Chun H.Wang教授利用垂直生長的以迷宮網絡形態為導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的石墨烯納米片（VGN）構建了一種夾層式柔性傳感器，該柔性器件具有優異的可伸縮性（Stretchab靈敏度可達120%，靈敏度高（應變系數K至32.6），同時可通過調整石墨烯層的厚度來調節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。它具有空腔結構，底部為緩沖薄碳層，側面為支狀石墨烯層，這種結構特點使VGN具有較高的導電性，有利于PDMS隨后的柔性改性，研究人員通過對PDMS的滲透和固化，分別構建了兩層和三層傳感器。
對比試驗表明，三層系統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多個可逆拉伸循環中，R/R0沒有顯著降低，同時，三層體系的R/R0延遲較小（兩層體系為21%，三層體系為6.7%）。
此外，材料體系在不同拉伸狀態下的形態/結構變化表明，拉伸初始階段拉伸應變的主要承載體是上下層的PDMS基體；隨著應變的增加，拉伸應變逐漸轉移到中間的VGN層；當應變進一步增大，系統會產生越來越多的裂紋，但在VGN層的裂紋之間仍有一個石墨烯/PDMS橋接結構，使其成為可能，系統的導電過渡狀態在高壓下保持，同時，器件的靈敏度可以通過AD進一步提高。調整vgn層的厚度。當vgn的厚度為13微米時，K達到88.4。
此外，該傳感器在壓力靈敏度方面也表現出良好的靈敏度，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，可適應不同的溫度和液體環境（水、0.1 m NaCl溶液）。在人體運動和生理監測的應用中顯示出良好的實用性能。
本文采用迷宮網絡形態垂直生長的石墨烯納米片作為導電介質。通過夾層器件的結構設計，構建了一種可伸縮、高靈敏度的應變傳感器，該柔性傳感器在監測人體脈搏、肌肉運動等細微運動以及手指關節旋轉等大范圍運動方面具有良好的實用性。它在柔性可穿戴電子器件中具有廣闊的應用前景。
基于迷宮式垂直石墨烯網絡的超靈敏可伸縮應變傳感器
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