迷宫式垂直石墨烯网络及其超灵敏拉伸应变传感器的构建

迷宫式垂直石墨烯网络及其超灵敏拉伸应变传感器的构建

可穿戴传感器可以检测各种物理和生理信号。它们广泛应用于软件机器人、运动传感、电子皮肤和个人健康监测等领域，其中拉伸性和灵敏度是可穿戴传感器的两个关键性能参数，目前，聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚酯、软纱、聚氨酯等高分子材料被广泛用作高柔性传感材料。斯特拉特采用碳纳米管、碳纤维、石墨烯、纳米线及其复合材料等高导电材料来提高传感器元件的灵敏度，但实现传感器的宽检测范围和高灵敏度仍然是一项具有挑战性的任务。

最近，澳大利亚新南威尔士大学的Chun H.Wang教授利用垂直生长的以迷宫网络形态为导电材料的石墨烯纳米片（VGN）和以PDMS为上下柔性基底的垂直生长的石墨烯纳米片（VGN）构建了一种夹层式柔性传感器，该柔性器件具有优异的可伸缩性（Stretchab灵敏度可达120%，灵敏度高（应变系数K至32.6），同时可通过调整石墨烯层的厚度来调节器件的灵敏度和伸缩性。随着石墨烯层厚度的增加，灵敏度增加，拉伸性降低，柔性传感器对温度和各种液体（如水和0.1 m氯化钠溶液模拟人体汗液）不敏感，适用于穿戴设备。

VGN由多层石墨烯组成，壁厚1-5nm，高度约7微米。它具有空腔结构，底部为缓冲薄碳层，侧面为支状石墨烯层，这种结构特点使VGN具有较高的导电性，有利于PDMS随后的柔性改性，研究人员通过对PDMS的渗透和固化，分别构建了两层和三层传感器。

对比试验表明，三层系统传感器具有较好的灵敏度（K~32.6）和柔性（最大拉伸速率为120%）。在1000多个可逆拉伸循环中，R/R0没有显著降低，同时，三层体系的R/R0延迟较小（两层体系为21%，三层体系为6.7%）。

此外，材料体系在不同拉伸状态下的形态/结构变化表明，拉伸初始阶段拉伸应变的主要承载体是上下层的PDMS基体；随着应变的增加，拉伸应变逐渐转移到中间的VGN层；当应变进一步增大，系统会产生越来越多的裂纹，但在VGN层的裂纹之间仍有一个石墨烯/PDMS桥接结构，使其成为可能，系统的导电过渡状态在高压下保持，同时，器件的灵敏度可以通过AD进一步提高。调整vgn层的厚度。当vgn的厚度为13微米时，K达到88.4。

此外，该传感器在压力灵敏度方面也表现出良好的灵敏度，厚度分别为13、7、2微米的VGN的灵敏度（kz=r/r0/p）分别为0.030、0.014、0.002，可适应不同的温度和液体环境（水、0.1 m NaCl溶液）。在人体运动和生理监测的应用中显示出良好的实用性能。

本文采用迷宫网络形态垂直生长的石墨烯纳米片作为导电介质。通过夹层器件的结构设计，构建了一种可伸缩、高灵敏度的应变传感器，该柔性传感器在监测人体脉搏、肌肉运动等细微运动以及手指关节旋转等大范围运动方面具有良好的实用性。它在柔性可穿戴电子器件中具有广阔的应用前景。

基于迷宫式垂直石墨烯网络的超灵敏可伸缩应变传感器

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