基于石墨烯應變傳感復合材料，用于先進可穿戴傳感器

1成果簡介

在復合材料制造過程中，彈性體固化收縮往往會導致導電網(wǎng)絡起皺，從而嚴重影響柔性應變傳感器的性能，但人們對這種皺紋的具體作用還不完全了解。本文，北京科技大學姜乃生教授、伍英等研究人員在《Small》期刊發(fā)表名為“Multiscale Structural Control by Matrix Engineering for Polydimethylsiloxane Filled Graphene Woven Fabric Strain Sensors”的論文，研究開發(fā)了一種高靈敏度的聚二甲基硅氧烷填充石墨烯編織物（PDMS-f-GWF）應變傳感器，通過仔細調(diào)整基底與固化劑的比例來優(yōu)化PDMS固化收縮。這種傳感器在25%應變時的測量系數(shù)達到了約700，比使用市售配方 PDMS的傳感器高出6倍多。 這種增強的傳感性能歸功于石墨烯網(wǎng)絡的多尺度結(jié)構(gòu)控制，并通過精確調(diào)整PDMS的固化收縮率來實現(xiàn)。通過使用原位掃描電子顯微鏡、X 射線散射和拉曼光譜，顯示出 10:0.8 的優(yōu)化 PDMS 基底與固化劑比率，可實現(xiàn)從原子到宏觀尺度的相互關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)變化，包括石墨烯晶格內(nèi)更大的 “實際 ”應變、石墨烯皺紋的增強扁平化以及裂紋密度的增加。這些發(fā)現(xiàn)強調(diào)了彈性體收縮在調(diào)節(jié)導電網(wǎng)絡多尺度結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵作用，為基質(zhì)工程策略提供了新的見解，從而提高了基于彈性體的柔性應變傳感器的傳感性能。

2圖文導讀

圖1、a） 通過控制 PDMS 固化收縮優(yōu)化 PDMS-f-GWF 應變傳感器的制造工藝示意圖。b，c） SEM 圖像，以及 d） PDMS-f-GWF 的拉曼光譜。

圖2、PDMS-f-GWF 的應變傳感特性。

圖3、a) SEM (with cracks identified by yellow arrows) and b) optical images of PDMS10:0.8-f-GWF at 30% tensile strain. c) Crack density of PDMS-f-GWFs at different strains. d–f) In situ SEM observations of PDMS10:0.8-f-GWF at different stretching strains. g) Wrinkle densities and cure shrinkages of PDMS-f-GWFs at different tensile strains. h) Schematic illustration of the in situ X-ray scattering measurement, with the sample face perpendicular to the incident X-ray beam and being stretched along theqxdirection. i) SAXS intensity profiles for PDMS10:0.8-f-GWF at different tensile strains. The black arrow indicates the change of power law exponents,n, with increasing tensile strains. j) Fractal dimensions (Ds) of different PDMS-f-GWFs as a function of tensile strain, with black arrows indicating the transition points of fast and slow reduction inDsvalues.

圖4、a) Raman maps of the 2D band position at different tensile strains for PDMS10:0.8-f-GWF and PDMS10:1-f-GWF. b) The average Raman 2D band position of the 15 ×15μm images in a) at different tensile strains. c) Typical Raman spectra of PDMS10:0.8-f-GWF at different stretching strains. d) Shift rate of the 2D band at different tensile strains for PDMS10:0.8-f-GWF and PDMS10:1-f-GWF.

圖5、通過優(yōu)化 PDMS 基質(zhì)實現(xiàn) PDMS-f-GWF 的多尺度結(jié)構(gòu)控制。

圖6、人體運動監(jiān)測演示。

3小結(jié)

在本研究中，我們通過調(diào)節(jié)復合材料制造過程中 PDMS 的基體固化收縮引起的石墨烯起皺，開發(fā)了一種高靈敏度 PDMS-f-GWF 應變傳感器。研究發(fā)現(xiàn)，PDMS 的基體與固化劑比例為 10:0.8，在所有測試比例（包括商業(yè)推薦的 10:1）中，PDMS-f-GWF 的傳感性能最佳。PDMS10:0.8-f-GWF 復合材料在靈敏度和拉伸性之間實現(xiàn)了最佳平衡，在 25% 應變時的量規(guī)系數(shù)達到 700，是 PDMS10:1-f-GWF 的 6 倍多。此外，與 PDMS10:1-f-GWF 相比，PDMS10:0.8-f-GWF 的量規(guī)系數(shù)在石墨烯生長參數(shù)和織物網(wǎng)目數(shù)變化的情況下始終保持增強，這表明在這些復合材料中使用 PDMS10:0.8 具有普遍優(yōu)勢。 利用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、SAXS 和拉曼光譜等各種原位技術(shù)，對 PDMS-f-GWF 在機械變形過程中從原子到宏觀尺度的結(jié)構(gòu)演變進行了表征。研究發(fā)現(xiàn)，與 PDMS10:1-f-GWF 相比，PDMS10:0.8-f-GWF 的靈敏度提高主要歸因于石墨烯皺紋的減少，這有利于 PDMS 和石墨烯之間更有效的界面應力傳遞，從而導致碳鍵的 “實際 ”應變增大、皺紋更容易變平以及裂紋密度增加。我們還證明，平衡良好的微皺紋密度和有效的界面應力傳遞對于 PDMS-f-GWF 應變傳感器實現(xiàn)高靈敏度和大拉伸性至關(guān)重要。這些發(fā)現(xiàn)凸顯了基體配方在提高柔性導電復合材料性能方面的關(guān)鍵作用，為先進應變傳感器的優(yōu)化和合理設計提供了寶貴的見解。

文獻： https://doi.org/10.1002/smll.2024?10148

審核編輯 黃宇