中国科学院兰州化物所固体润滑实验室
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三维石墨烯基压阻传感材料的应用基础研究
日期:2019-04-17 | | 【

1、技术领域概述

三维石墨烯整体材料因其丰富的网络结构和优良的导电性,在柔性电子学领域具有显著的应用潜能。基于三维石墨烯制备的压阻式触觉传感器,具有检测范围宽、功耗低、易于组装和信号读取等显著优点,在前沿应用中显示出巨大的潜力,如可穿戴电子皮肤和人机界面等。然而,由于石墨烯片间弱的键合作用导致其三维网络结构不稳定,从而影响其传感性能的发挥。改性三维石墨烯复合压阻材料,从组分调整、结构设计入手,在解决了结构稳定性问题的基础上,使其快速响应性、循环稳定性得到了进一步的提升。

2、取得的主要研究成果及形成的主要产品/技术

1)聚酰亚胺增强的高性能石墨烯泡沫用于室温压阻传感器

通过真空固化法将聚酰亚胺(PI)层引入到预先制备的三维石墨烯(3DG)海绵中,获得了具有网状结构的3DG-PI复合泡沫。形貌表征和性能测试结果表明,复合泡沫具有稳定的三维网状结构,且表现出了优异的电导率(3.7 S/cm, 较高的压缩强度(175 kPa),突出的塑性和灵活性,以及对电阻的快速响应性和稳定的压阻效应;即复合材料在小应变和低密度的作用下,其电阻变化显著,且在测试300次压缩-释放循环后,电阻的变化十分稳定。

2)高弹性的导电氮掺杂石墨烯海绵用于人体运动检测

通过简单且低成本的水热反应和冷冻过程制备了氮掺杂石墨烯海绵(NGS)。通过结构表征和性能测试发现:该氮掺杂石墨烯海绵具有长范围内有序且均一的宏观孔结构,且表现出超低密度(<10 mg cm-3),高的电导率(1.4 S m-1),极好的可压缩恢复性(80%)和线性弹性区域(30% -40%),以及优异的传感性能,例如好的敏感系数(1.33 kPa-1),低的检测限制(2%的应变),宽的线性传感范围(约20%应变),稳定的信号响应(3000次加载-卸载循环)和快的响应时间(72.4 ms)。

3)三维石墨烯/碳纳米管复合压阻传感材料的制备及性能

利用KOH溶液作为碳纳米管(CNTs)分散剂,制备了高电导率、极低密度和超弹性的类似细胞的层状结构的石墨烯/碳纳米管(GCNT)气凝胶。GCNT气凝胶独特的结构,不仅赋予了它的超弹性(14.3 kPa),而且还赋予了高电导率(2.4 S m?1)。利用GCNT气凝胶的优良性能,组装的压力传感器具有极高的灵敏度(1.22 kPa?1)、快速响应时间(28 Ms)和良好的循环稳定性,可作为实时监测人体各种运动的传感平台。

3、应用情况/应用前景

上述研究成果为应用于应力/应变传感或刺激响应性石墨烯体系提供了几种新型柔性压阻材料。三维石墨烯复合压阻材料,具有高灵敏度和耐久性,提供了理想的压缩变形,可以用来监测人体不同部位的生理活动。当手指弯曲至90°时,相对电阻变化率的值与时间成正比;该传感器还可以准确地检测人体的呼吸和脉搏。该系列压阻传感器有望在人机界面、柔性机器人和生物电子方面得到应用。

4、获奖/专利情况

碳纳米管增强三维石墨烯压阻传感材料研究方面,已经公开的申请发明专利一种三维石墨烯/碳纳米管弹性体及其在柔性压阻式传感器中的应用,CN108760101A

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