基于激光诱导石墨烯的柔性传感器制备与应用研究

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几十年来,研究人员一直致力于开发能够模拟人类皮肤功能的触觉感知技术,制备拟人电子皮肤。电子皮肤融合了高度多样化和跨学科的专业知识,其中柔性传感器是电子皮肤实现触觉感知功能的关键部件。然而,柔性传感器的发展却存在着许多挑战与困难。首先,柔性传感器需要具有可穿戴性,并且能够适应于不同形状的表面,同时也需要具备生物相容性、耐用性和耐磨性。第二,柔性传感器需要实现在复杂环境下的适用性,能够区分多种不同的外部物理刺激,如拉伸、压缩、弯曲和扭转等。随着材料工程的突破,石墨烯、碳纳米管和银纳米线等活性材料的出现使制造具有优异性能、结构简单、重量轻、成本低和大规模生产能力的柔性传感器成为可能。其中,激光诱导石墨烯(LIG)具有一步合成、力学性能优越和导电率高等优点,是制备柔性传感器的理想活性材料之一。本文报道了一种基于LIG的可穿戴柔性传感器的制备技术,利用LIG的多孔结构特性,可以将其转移到柔性基底(如硅胶和聚二甲基硅氧烷(PDMS))上,得到一种LIG基导电弹性复合物,同时实现可伸缩性与导电性。然后,通过各种处理,可制备出具有不同功能的柔性传感器。本文的主要研究内容如下:(1)研究了LIG在聚酰亚胺(PI)膜上的成型机制,探明了激光功率、扫描速度等关键工艺参数对LIG形貌的影响,并对制得的LIG进行了性能表征;研究了LIG在柔性基底上的转移效果,并对所制得的LIG基导电弹性复合物进行了性能表征。(2)提出了一种基于三维波浪状LIG的柔性压阻式应变传感器的制备方法,将PI膜贴在模具的波浪状表面,使用二氧化碳红外激光在其表面上进行扫描,可以得到具有三维波浪状结构的LIG,然后将其转移到硅胶上并进行封装,可得到波浪状LIG内嵌的柔性应变传感器。(3)研究了在产生应变过程中应变传感器的应力分布,由于LIG的三维结构,应力集中在波浪状LIG的波谷处,提高了该应变传感器的灵敏度,而且还降低了应力对LIG层的破坏。由此,该应变传感器取得了高灵敏度(在0~31.8%范围内GF=37.8,优于平面状LIG)、低迟滞性(~1.39%)和大工作范围(0~47.7%)等性能指标。此外,该应变传感器被证明了具有稳定的动态响应和长期耐久度,经过5000个拉伸周期后,信号的峰值变化仅2.32%。(4)提出了一种基于LIG/PDMS泡沫的柔性电容式压力传感器的制备方法,利用一水柠檬酸(CAM)在乙醇中的溶解性以及乙醇对PDMS的超湿润性,可以制备出PDMS泡沫,同时将制得的LIG转移到PDMS泡沫上,便可得LIG/PDMS泡沫复合物,这就是一个柔性电容式压力传感器。(5)研究了不同孔隙率和厚度对压力传感器的性能的影响,孔隙率越大,厚度越薄,压力传感器对于压力载荷就越敏感,动态响应也更加迅速。该压力传感器具有一体化和结构鲁棒性的优点,并取得了高灵敏度(在15~40 k Pa范围内GF=~0.026 k P a-1)、低迟滞性(~9.762%)和短响应时间(~120 ms)等性能指标。在5000次循环的耐久度测试中,信号值的偏差仅为4.548%。而且,该压力传感器具有分辨多个外部物理刺激的识别能力,根据上下电极膜电阻以及电极间电容的信号变化,可以判断出拉、压、弯和扭四种外部物理刺激。(6)对上述所得的柔性传感器进行实用性研究,使其应用在肌肉收缩/舒张检测、关节运动检测、触控开关以及心率监控等方面。并且通过图形设计,得到了电容式压力传感器的阵列结构,可用于传感二维压力分布。上述方法具有操作简单、成本低和效率高等特点,所制得的柔性传感器可被应用到可穿戴医疗设备或者电子皮肤,具有巨大的发展潜力和美好的前景。
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