多功能柔性石墨烯/聚有机硅氧烷气凝胶温度/应变/压力传感阵列

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随着人工智能的快速发展，智能传感材料的需求与日俱增。近年来，研究人员采用不同的方法合成了多种多样的功能材料用于制备智能传感器件。然而，采用一种单一的材料简便地制备具有温度、应变和压力传感性能的柔性多功能传感器件仍然充满挑战。

为此，同济大学的青年教师祖国庆研发了一种超疏水且极为柔韧的还原氧化石墨烯/聚有机硅氧烷复合气凝胶，并且采用这种单一的聚有机硅氧烷气凝胶材料制备了高性能、多功能的柔性传感阵列用于高效的温度、应变和压力传感。

图1. 还原氧化石墨烯/聚有机硅氧烷复合气凝胶的合成路线示意图。

该气凝胶材料的合成基于以下三个步骤：（1）采用胺丙基三乙氧基硅烷对氧化石墨烯进行交联和还原获得胺基硅烷改性的还原氧化石墨烯气凝胶；（2）将乙烯基甲基二甲氧基硅烷自由基聚合获得聚乙烯基甲基二甲氧基硅烷聚合物；（3）采用乙烯基甲基二甲氧基硅烷和聚乙烯基甲基二甲氧基硅烷聚合物对上述还原氧化石墨烯气凝胶进行进一步交联得到石墨烯/聚有机硅氧烷复合气凝胶。

图2.（a,b）气凝胶的XRD和红外图谱。（c,d）N2吸附测试。（e-g）气凝胶的SEM照片。（h-j）气凝胶的TEM照片。（k）气凝胶的接触角。

该气凝胶材料具有珊瑚状的三网络纳米结构，由相互交联的还原氧化石墨烯纳米片、聚乙烯-聚（甲基硅氧烷）和聚（乙烯基甲基硅氧烷）构成。由于其独特的三网络结构，该气凝胶结合了超疏水、高可压缩性、高可弯曲性、超弹性、优异的可加工性以及对温度、压力和应变敏感的传导性能，这些优异的性能是传统的材料所不具备的。另外，基于该还原氧化石墨烯/聚有机硅氧烷气凝胶的柔性多功能传感阵列能够探测20-100℃的温度、0.1-80%的大范围应变和10 Pa-110 kPa的大范围压力，并且具有高的灵敏度以及抗压缩、抗弯曲和耐潮湿的良好耐久性能。该工作将为柔性多功能多孔材料的合成以及多功能柔性电子皮肤的设计提供新的思路。

图3. 还原氧化石墨烯/聚有机硅氧烷气凝胶的柔性和弹性。（a-e）气凝胶的压缩应力-应变曲线。（f）同其它已报道的石墨烯基气凝胶接触角和可逆压缩应变的比较。（g）单轴压缩照片。（h）弯曲照片。（i,j）压缩和弯曲过程中结构变化示意图。

图4. 还原氧化石墨烯/聚有机硅氧烷气凝胶的温度、应变和压力传感性能。（a）电阻随温度的变化曲线。（b）抗压缩性能测试。（c）抗弯曲性能测试。（d）耐潮湿测试。（e,f）电阻随压缩应变的变化曲线。（g）气凝胶能够经受10000次50%的压缩循环。（h）不同温度下电阻随压缩应变的变化曲线。（i,j）电阻随压力的变化曲线。（k）气凝胶对不同压力和应变的响应。

图5. 基于还原氧化石墨烯/聚有机硅氧烷气凝胶的多功能柔性传感阵列及其传感性能。

以上成果发表在Chemistry of Materials （Chem. Mater. DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b02437）上面，论文的第一作者和通讯作者为同济大学材料科学与工程学院的青年教师祖国庆，共同通讯作者为京都大学的Kazuyoshi Kanamori教授。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.9b02437

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