北京化工大学AFM：通过双向冷冻的层状石墨烯气凝胶，用于压力/弯曲传感器

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一、文章概述

随着机器人产业和物联网的飞速发展，极大地激发了柔性电子领域的研究进展。作为柔性电子的重要部件，压力传感器因其在细微压力检测、医疗保健监测和运动检测中的潜在应用而受到广泛研究。其中，压阻式压力传感器因其易于制造和信号读出而备受关注。其工作原理为：当施加/释放外部压力时，压阻传感器的电阻会发生变化，将机械刺激转换为电信号。然而，对于压阻式传感器而言，细微压力的检测是一个巨大的挑战。结合国内外研究，通过合理的传感材料组成和结构设计，可以在保持弹性的同时增加其电阻变化并降低其机械强度，从而提高用于细微压力检测的压阻传感器的灵敏度和检测限。

为了减弱压缩强度同时保持弹性来提高石墨烯基气凝胶的压阻传感器的灵敏度，近日，北京化工大学的科研人员通过在少量有机溶剂存在下双向冷冻氧化石墨烯的水悬浮液，然后冷冻干燥和热退火，制备了一种具有高弹性和优异的电导电网络的轻质层状石墨烯气凝胶（LGA）。相关研究工作以题为“Rational Design of Soft Yet Elastic Lamellar Graphene Aerogels via Bidirectional Freezing for Ultrasensitive Pressure and Bending Sensors”发表在国际材料学顶尖期刊Advanced Functional Materials (IF=16.836)上。

文章要点：（1）由于LGA的层状结构，其沿垂直于层状表面方向的压缩强度远低于具有相似表观密度的各向同性且单向排列的石墨烯气凝胶的压缩强度，从而导致LGA基压阻传感器具有-3.69kPa^-1高的灵敏度和0.15Pa的低检测限。

（2）基于LGA的压阻传感器的超高灵敏度和低检测限有助于检测室温和液氮中的细微压力，并具有检测动态力频率和声音振动的能力。

（3）此外，由于石墨烯薄片之间的连接点较少，LGAs切片可以集成为一个宽范围且灵敏的弯曲传感器，可以检测从0°到180°的任意弯曲角度，检测限低至0.29°，可用于有效检测手腕脉搏和手指弯曲的生物信号。

二、图文导读

图1.在水、乙醇或THF存在下双向冷冻GO悬浮液，然后冷冻干燥和热退火制备LGA的示意图。

图2.a）LGA、b）DGA和c）IGA沿Y轴的循环压缩应力-应变曲线。

d）乙醇辅助石墨烯气凝胶在50%压缩应变下的循环压缩强度。

e）LGA的储能模量、损耗模量和阻尼比（1%的振荡应变）沿Y轴的温度依赖性。

f）THF-IGA的循环压缩应力-应变曲线。

g）LGA和h）THF-LGA和i）它们的分布的层状石墨烯孔壁的弹性模量映射。

j）乙醇辅助和THF辅助的GO冰块沿Y轴通过双向冷冻方法冷冻的压缩应力-应变曲线。

k）被相邻冰晶排除和挤压的GO片的图示。

图3.作为a）压缩应变和b）IGA、DGA和LGA压缩应力的函数的电阻变化图。

c）LGA、d）DGA和e）IGA的SR值。

f）SR值与报道的其他基于全碳气凝胶的压阻传感器的比较。

g）LGA在50%压缩应变和1Hz频率下的电阻变化。

图4.a,b）数码照片显示LGA可以沿X-Z平面轻松切割，而不会损坏LGA的其余部分。

c）弯曲传感器工作过程示意图。

d）用于测量弯曲角度的弯曲传感器的数码照片。

基于LGA的弯曲传感器的e）行程响应和f）电阻变化与弯曲角度的关系图。

g）具有微小行程的弯曲传感器的电阻。

h）LGA弯曲传感器在弯曲角度为90°和频率为1 Hz时的循环电阻变化。

图5.基于LGA的压力传感器在a）室温下和b）在液氮中承受细微压力时的电阻变化。

c）在液氮中大变形的基于LGA的压力传感器的电阻变化。

d）基于LGA的压力传感器的电阻变化，放置在距离手>50 cm处，用于检测拍手。

基于LGA的压力传感器的电阻变化，用于检测e）频率高达2000 Hz的动态力，以及f）从商用蓝牙扬声器发出的一段880 Hz正弦声音振动。

用于检测g）人类手腕脉搏和h）人类手指弯曲的基于LGA的弯曲传感器的电阻变化。

三、论文信息

Rational Design of Soft Yet Elastic Lamellar Graphene Aerogels via Bidirectional Freezing for Ultrasensitive Pressure and Bending Sensors

Advanced Functional Materials (IF=16.836)

Pub Date : 2021-06-17

Peng Min, Xiaofeng Li*, Pengfei Liu, Ji Liu, Xue-Qin Jia, Xiao-Peng Li, Zhong-Zhen Yu*

State Key Laboratory of Organic-Inorganic Composites, College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing, 100029 China

原文链接
https://doi.org/10.1002/adfm.202103703

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