基于C60@Fe3O4纳米复合材料的柔性磁场传感器制备及其性能研究

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随着柔性电子器件的发展,柔性传感器的应用范围越来越广泛,其内容包括力传感器、温度传感器、湿度传感器等。近年来,柔性磁场传感器的研究也越来越进入人们的视野。目前大部分磁传感器都是刚性传感器,未来设备要求磁传感器具有出色的柔韧性和可拉伸性,以便适应复杂的检测环境和机械变形,因此对于柔性磁场传感器的研究迫在眉睫。许多研究人员基于压电、摩擦电、应力等不同机制实现了柔性磁场传感器的制备,并对其响应原理进行了探究。但是目前这方面的研究还存在许多问题,柔性磁场传感器的灵敏度、重复性、响应时间等性能未达到实际应用的需求,对于磁敏感材料的选择、传感器的结构、传感器的响应机制等的研究也尚未成熟。制备一种分散性好、超顺磁性的磁敏感材料,优化传感器的结构对于传感器的性能提高有着重要意义。本文中,针对柔性磁传感器对磁纳米材料的高要求,提出了一种C60@Fe3O4超顺磁性纳米颗粒的可控制备方法,制备的材料具有均匀的粒径、良好的分散性和超顺磁性。使用XRD、FTIR、TEM、XPS、EDS等表征方法对复合材料进行了表征。随后,将C60@Fe3O4作为磁敏感材料,使用碳纳米管作为导电敏感单元,超高弹性的SEBS橡胶薄膜作为基底制备了柔性磁场传感器,并对传感器的性能进行了测试和分析,实现了对磁场的检测。在这个基础上,为了进一步提高传感器的性能,改进了实验材料和传感器的结构,采用3D打印的方法制备了柔性六边形网孔平面结构基底,并使用石墨烯作为导电敏感单元,制备了改进后的柔性磁场传感器。对改进后的传感器进行了性能测试,并通过对传感器进行SEM、EDS和光学显微镜表征,进一步研究了传感器的传感机理。具体结果如下:(1)C60@Fe3O4的制备过程简单、环保,产物性能优良。TEM结果表明,C60@Fe3O4具有良好的分散性和均匀的粒径,C60颗粒分布在Fe3O4的表面,形成包覆结构,起到了良好的保护作用。X射线衍射,傅立叶变换红外光谱和能量色散光谱结果进一步证明,纳米材料的成分为Fe3O4和C60。纳米复合材料的VSM磁滞回线表明产物表现出良好的磁响应性能和超顺磁性,饱和磁化强度达到69.5emu/mg。这表明C60@Fe3O4纳米复合材料可以用于制备柔性磁场传感器。(2)对于C60@Fe3O4&CNT-SBES柔性磁场传感器,传感器具有高弹性和高透明度。I-V测试表明传感器具有良好的伏安特性,电阻不会受其他电信号的影响,重复性测试和稳定性测试表明传感器具有良好的稳定性和可靠性。随着磁场强度的增加,传感器的电阻减小,灵敏度达到0.021T-1。(3)对于改进后的3D打印平面六边形网孔结构传感器,制备了边长为5 mm、7 mm和9mm三种尺寸的传感器。I-V测试表明传感器具有良好的欧姆特性。在两个方向上增大磁场时,传感器均表现出电阻变小的趋势。三种尺寸的传感器的灵敏度分别为0.083T-1、0.097T-1和0.066T-1。另外,重复性和稳定性的实验表明传感器的重复性和响应速度均有提高。SEM表征结果表明,传感器表面均匀分布着石墨烯和C60@Fe3O4。用光学显微镜发现传感器在磁场下表面的高度分布发生了明显的变化。这说明当磁场增大时,磁性粒子趋向于成链排列,从而增强石墨烯层之间的紧密接触,增强了传感器的导电性。综上所述,以C60@Fe3O4为磁敏感单元制备的柔性磁场传感器实现了对磁场的检测,为柔性磁场检测的研究奠定了基础。
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