研究基于密集結(jié)構(gòu)石墨烯纖維的壓力傳感器，用于運動監(jiān)測

壓阻式壓力傳感器因其結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高和成本低而備受關(guān)注。石墨烯以其出色的機械和電氣性能而聞名，作為傳感器材料已顯示出巨大的應(yīng)用潛力。然而，其在實際應(yīng)用中的耐用性和性能一致性仍有待提高。本文，東華大學(xué)李煒教授團隊在《Adv.Fiber Mater》期刊發(fā)表名為“Pressure Sensors Based on Densely Structured Graphene Fibers for Motion Monitoring”的論文，研究利用摻雜了Fe3O4納米顆粒的氧化石墨烯（GO），通過濕法紡絲制備了磁性石墨烯纖維（MGFs）。制備出的MGF具有58.6MPa帕的高抗拉強度、5.3%的應(yīng)變和1.7×104S/m的導(dǎo)電率。

這些MGF可用于制造柔性壓力傳感器的多層織物。紡絲通道內(nèi)的封閉性促進了GO片的有序排列，使 MGF 具有優(yōu)異的電氣和機械性能。發(fā)行的MGFs壓力傳感器具有檢測范圍廣（0-120kPa）、靈敏度高（0.233kPa-1, 0-40kPa）和響應(yīng)/恢復(fù)時間快（121ms/158ms）等特點。此外，它還具有出色的耐用性，在連續(xù)運行1300個周期后仍能保持性能，退化程度幾乎可以忽略不計。該傳感器在監(jiān)測人體生理活動方面表現(xiàn)出卓越的能力，表明其在可穿戴設(shè)備中具有巨大的應(yīng)用潛力。

圖文導(dǎo)讀

圖1、MGF壓力傳感器的制備示意圖。

圖2、MGF和GF的照片和SEM圖像。

圖3、a-c）繪制前后 GF 表面的 AFM 圖像和相應(yīng)的高度值。d ）還原前后 GF 和 MGF 的 XPS 圖像。e ）還原前后 GF 和 MGF 的 XRD 圖像。f）還原前后 GF 和 MGF 的拉曼光譜圖像。G-j）三種 GFs 和 MGF 的相應(yīng)方位掃描曲線）GFs 和 MGF 的 SAXS 模式。k ）繪圖下GFs和 MGF 的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。l ）不同GFs和MGFs的電子電導(dǎo)率和機械性能

圖4、MGFs 壓力傳感器的傳感性能測試。

圖5、MGFs壓力傳感器在人體生理信號檢測中的應(yīng)用。

小結(jié)

本文提出了一種制造MGF的策略，以構(gòu)建基于纖維的可穿戴壓力傳感器。MGF是通過通道封閉GO和添加 Fe3O4納米粒子來實現(xiàn)的，以降低纖維的模量、提高柔韌性并保持電氣性能。通過將 GO片材平整排列，獲得了具有優(yōu)異電氣和機械性能的 MGF，其應(yīng)力達到58.6兆帕，應(yīng)變?yōu)?.3%，導(dǎo)電率為1.7×104S/m。該傳感器裝置由多層織物傳感層構(gòu)成，具有檢測范圍廣（0-120 kPa）、靈敏度高（0.233kPa-1, 0-40kPa）、響應(yīng)/恢復(fù)時間快（121ms/158ms）和耐用性好（超過1300次循環(huán)）等特點。此外，該傳感器還能準(zhǔn)確識別人體生理活動。因此，本研究的結(jié)果為柔性壓力傳感器在生理監(jiān)測、人機交互和智能可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用提供了寶貴的見解。

文獻： https://doi.org/10.1007/s42765-024-00502-9 審核編輯 黃宇