基于石墨烯或离子凝胶的复合材料在柔性传感器中的应用研究

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近年来,在智能机器人和可穿戴设备迅速发展的背景下,柔性传感器因其独特的灵活性引起人们极大的关注。柔性传感器根据测试信号不同可以分为温度传感器、压力传感器、湿度传感器和气体传感器等,其中温度传感器和压力传感器被广泛关注。如何开发高灵敏度、高稳定性、高分辨率和快速响应的柔性传感器是目前柔性电子器件发展的关键。碳材料是柔性温度传感器中最为常见的活性材料,如炭黑、石墨、碳纳米管、石墨烯及其衍生物等。其中石墨烯因其具有良好的机械强度、高导热性、优异的导电性等优点被广泛应用。但是,裸露的石墨烯十分容易团聚,团聚会影响石墨烯的层状结构进而会降低传感器的灵敏度。虽然氧化石墨烯具有很好的分散性,但氧化石墨烯导电性和导热性有限,需要将其还原才能使用,在还原过程中也会出现团聚问题。为解决石墨烯团聚问题,很多工作将石墨烯分散在高分子基体中来减少团聚。在第二章中,我们将氧化石墨烯(GO)包覆在聚苯乙烯(PS)微球表面,以减少氧化石墨烯在还原过程中团聚。将聚苯乙烯/还原氧化石墨烯(PS/rGO)微球作为温度传感的活性材料,制备得到可弯折柔性温度传感器。我们制备的PS/rGO温度传感器具有-2.05%·C-1高灵敏度,远高于相同条件下纯rGO的灵敏度(-1.11%·C-1)。传感器放置40天后,灵敏度下降约8.4%;用小型拉力机进行弯曲试验,结果为50°弯曲100次,灵敏度变化量在-10%-6%之间浮动。传感器在指尖触碰测试和呼吸测试中表现出高准确度和快速响应的特点。电阻型传感器在使用过程中存在阻值过大、耗能大等问题,需要电源为其提供能量。而热电材料可以将环境中的热能转化为传感器所需的电能,可以作为柔性传感设备的电源。有机热电材料与传统的无机热电材料相比,因具有低毒性或无毒性、灵活性、低加工成本等优势而被用于柔性电子设备中。在众多的有机热电材料中,离子液体因离子的热扩散而具备高塞贝克系数(塞贝克系数是热电材料的重要参数,塞贝克系数越大,等温度梯度下电势差越大)。在本文第三章,设计了一种基于离子凝胶-多孔聚氨酯骨架(IG-PU)的可压缩柔性温度-压力双响应传感器。由于热电效应,该传感器在测量温度响应的同时可以实现自供能,当热台温度为30-60℃时塞贝克系数为0.369 m V·℃-1,当热台温度为60-100℃时传感器具有更高的塞贝克系数为1.00 m V·℃-1。同时该传感器还可以实现压力传感,在外界压力的刺激下传感器形成双电容层,在测试范围内(0.48-48.75kPa),保持良好的线性关系,灵敏度为5.38 kPa-1。
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