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西安理工大学《JMCC》:基于石墨烯/PDMS内外协同导电网络,用于运动检测和可穿戴设备
出处:材料分析与应用  录入日期:2024-07-08  点击数:152

  1成果简介


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  柔性传感器因其在可穿戴技术和运动检测方面的潜在应用而受到广泛关注。本文,西安理工大学郑元林 副教授《J. Mater. Chem. C》期刊发表名为“Superhydrophobic pressure-responsive pressure sensors based on an inner–outer synergistic conductive network of GAF/PDMS”论文,研究采用水热还原法和牺牲模板法制备了一种超疏水压敏传感器,该传感器具有基于石墨烯碎片(GAF)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)海绵的内外协同导电网络。
  石墨烯和 PDMS 之间的范德华力使 PDMS 与 GAF 和 rGO 得以很好地结合。柔性 PDMS 与刚性 GAF 的结合使海绵具有良好的机械性能,在 1000 次加载-卸载循环后仍能保持良好的循环稳定性。还原后的氧化石墨烯一部分以 GAF 的形式存在于海绵中,另一部分以 rGO 颗粒的形式附着在海绵表面,形成协同导电网络,增强了传感器的电气性能,灵敏度高达 6.9 kPa-1。此外,该传感器还能有效分辨人体的不同动作,实现运动检测。我们的研究成果为制造高性能超疏水柔性压力传感器提供了一种可行的解决方案,这种传感器即使在潮湿的环境中也能正常工作。
  2图文导读 



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  图1、 多孔
F-rGO@GAF/PDMS压力传感器的制备工艺。


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  图 2、 (a) 和 (b) 纯 PDMS 海绵的扫描电镜照片。(c) 盐颗粒的扫描电镜照片。(d) 和 (e) GAF 的扫描电镜照片。(f) 多孔 GAF/PDMS 海绵的 SEM 照片。


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  图3、 (a) GO@PDMSrGO@PDMS 复合材料的傅立叶变换红外光谱 (b) GO@PDMSrGO@PDMS 复合材料的拉曼光谱 (c) GO@PDMSrGO@PDMSF-rGO@PDMS 复合材料的 XPS 光谱;(d) GO@PDMS、(e) rGO@PDMS 和 (f) F-rGO@PDMS 复合材料的 XPS C1s 光谱。


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  图4、 (a) rGO@GAF/PDMS复合材料在树叶上的照片。(b) rGO@GAF/PDMS 复合材料在压缩过程中的照片,(c) rGO@GAF/PDMS 复合材料在不同浸涂时间下的压缩应力-应变曲线。(d) 不同浸涂时间下 rGO@GAF/PDMS 复合材料的电导率。


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  图5、 (a) F-rGO@GAF/PDMS 复合材料表面的水滴照片;(b) F-rGO@GAF/PDMS 复合材料在水中的照片;(c) F-rGO@GAF/PDMS 复合材料在不同压缩应变下的 WCA;(d) F-rGO@GAF/PDMS 复合材料在不同压缩周期后的 WCA。



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  图6、 (a)
F-rGO@GAF/PDMSrGO@GAF/PDMSGO@GAF/PDMS 传感器的相对电阻随压力增加而变化,(b) F-rGO@GAF/PDMS 传感器在不同压缩应变下的响应测试,(c) 传感器在压缩应变刺激下的响应时间,(d) F-rGO@GAF/PDMS 传感器在 0-60% 压缩应变下 1000 次加载-卸载循环的响应曲线。


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  图7、 多孔 F-rGO@GAF/PDMS 压力传感器的传感机制示意图:(a)和(f)多孔 F-rGO@GAF/PDMS 传感器压缩前后的立体图(b)和(g)多孔 F-rGO@GAF/PDMS 传感器压缩前后的截面图(c)-(e)和(h)-(j)压缩前后导电粒子的分布状态。


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  图8 、(a) 传感器在压缩状态下的阻力响应,(b) 传感器在扭转状态下的阻力响应,(c) 传感器拾取空杯时的相对阻力响应,(d) 传感器拾取半杯时的相对阻力响应,(e) 传感器拾取满杯时的相对阻力响应,(f) 脚趾在行走过程中的相对阻力响应,(g) 脚弓在行走过程中的相对阻力响应,(h) 脚跟在行走过程中的相对阻力响应。
  3小结
  综上所述,本文提出了一种简单高效的方法,基于氧化石墨烯还原的两种材料形态制备多孔
F-rGO@GAF/PDMS 超疏水压力传感器。首先,通过结合使用 GO 还原法制备的非连续连接的 GAF 和 PDMS 网络,制备出三维多孔 GAF/PDMS 海绵基体。然后,基于 GO 在水中的良好分散性,对其进行涂覆和原位还原,以改善复合材料的电气和机械性能。最后,使用低表面能材料为复合材料添加超疏水涂层。F-rGO@GAF/PDMS 复合材料实现了超疏水性能,水接触角达到 152°,并能在大应变和反复压缩循环下保持良好的超疏水稳定性。基于 F-rGO@GAF/PDMS 复合材料的阻压式压力传感器具有优异的机电性能:灵敏度高(6.9 kPa-1)、响应速度快(200 ms),并且在 1000 次加载-卸载循环后仍具有良好的循环稳定性和耐用性。重要的是,该传感器不仅能感知来自手指、不同重量的杯子和不同类型动作的微小压力,还能在潮湿环境中保持正常稳定的工作。这表明所制备的传感器为制造可穿戴柔性电子设备提供了可行的解决方案。
  文献:


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