近年來，在可穿戴電子和人機(jī)交互領(lǐng)域，人們對(duì)柔性應(yīng)變傳感器的興趣激增。然而，隨著這些領(lǐng)域的快速發(fā)展，迫切需要提高柔性應(yīng)變傳感器的綜合性能，包括靈敏度、傳感范圍、響應(yīng)速度和耐用性。在這項(xiàng)研究中，本文通過將炭黑/石墨烯（CB/Gr）導(dǎo)電納米復(fù)合材料轉(zhuǎn)移到Ecoflex柔性基板的表面來解決這個(gè)問題，該基板已使用砂紙進(jìn)行預(yù)處理以增強(qiáng)附著力。由此產(chǎn)生的柔性應(yīng)變傳感器表現(xiàn)出高靈敏度，應(yīng)變系數(shù)為51.4，同時(shí)提供100%的寬傳感范圍。值得注意的是，該傳感器在各個(gè)方面都表現(xiàn)出了高性能，包括快速響應(yīng)時(shí)間（60毫秒）和出色的耐用性（多達(dá)4000次拉伸-釋放循環(huán)）。該傳感器的多功能性表現(xiàn)在它能夠有效監(jiān)測(cè)小應(yīng)變活動(dòng)（如語(yǔ)音識(shí)別）和大應(yīng)變活動(dòng)（例如肘部彎曲）。此外，該傳感器在各種應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)出出色的性能，包括人體健康和運(yùn)動(dòng)狀況監(jiān)測(cè)以及聲波和振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)。因此，這突出了傳感器在這些領(lǐng)域的顯著適應(yīng)性和廣泛應(yīng)用的巨大潛力。
圖1. 傳感器的制備過程示意圖和傳感器的基本特性。（a） 應(yīng)變傳感器的制備過程示意圖。（b） 具有表面微觀結(jié)構(gòu)的柔性膜的SEM圖像。（c） 傳感器在拉伸、彎曲和扭曲條件下的真實(shí)照片。（d） 傳感器在0%應(yīng)變下的表面形態(tài)的SEM圖像。（e） 傳感器在70%應(yīng)變下的表面形態(tài)的SEM圖像。（f） 傳感器橫截面的SEM圖像。
圖2. 具有不同CB和Gr比率的傳感器的導(dǎo)電層粘附性和靈敏度的比較。（a–e）在5%和70%應(yīng)變下，CB與Gr之比為0:1、3:1、5:1、7:1和1:0的傳感器的表面形態(tài)圖像。（f，g）CB與Gr之比為0:1和1:0的傳感器的導(dǎo)電層的粘附性的圖像。（h） 不同CB與Gr比值的傳感器在0-100%應(yīng)變范圍內(nèi)的相對(duì)電阻變化比較。（i） 沒有表面微觀結(jié)構(gòu)的傳感器在5%和70%應(yīng)變下的表面形態(tài)圖像。（j，k）具有和不具有表面微結(jié)構(gòu)的傳感器的導(dǎo)電層的粘附性的圖像。
圖3. 傳感器的感應(yīng)機(jī)制和相對(duì)電阻變化。（a） 傳感器的信號(hào)感應(yīng)機(jī)構(gòu)示意圖。（b） 傳感器的相對(duì)電阻隨應(yīng)變的變化。（c） 在施加1%、3%、5%和7%的小應(yīng)變的5個(gè)拉伸-釋放循環(huán)下，傳感器的相對(duì)電阻變化。（d–f）在施加30%、50%和70%的大應(yīng)變的5個(gè)拉伸-釋放循環(huán)下，傳感器的相對(duì)電阻變化。
圖4. 傳感器的綜合性能。（a） 傳感器在70%應(yīng)變下的滯后曲線。（b） 傳感器在不同拉伸-釋放頻率下的相對(duì)電阻變化。（c） 傳感器在不同應(yīng)變下的電壓和電流之間的關(guān)系。（d） 傳感器的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間。（e） 傳感器在大約4000個(gè)拉伸-釋放循環(huán)內(nèi)的相對(duì)電阻變化。（f） 傳感器在彎曲狀態(tài)下的相對(duì)電阻變化。（g） 傳感器在扭曲狀態(tài)下的相對(duì)電阻變化。（h） 5次拉伸試驗(yàn)下應(yīng)變與拉力的關(guān)系。
圖5. 該傳感器用于監(jiān)測(cè)各種應(yīng)變傳感器。（a） 該傳感器用于跟蹤人體肘部的彎曲運(yùn)動(dòng)。（b） 該傳感器用于識(shí)別喉嚨發(fā)出的聲音。（c–e）該傳感器用于分別監(jiān)測(cè)握拳過程中手腕產(chǎn)生的應(yīng)變信號(hào)、不同運(yùn)動(dòng)條件下胸部的膨脹和收縮以及低頭時(shí)頸椎的彎曲狀態(tài)。（f） 傳感器用于監(jiān)測(cè)揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音。（g） 該傳感器用于檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)。
相關(guān)研究成果由中南大學(xué)Zhilai Lu等人2023年發(fā)表在ACS Applied Nano Materials (鏈接：https://doi.org/10.1021/acsanm.3c03718)上。原文：High Performance Strain Sensor Based on Carbon Black/Graphene/Ecoflex for Human Health Monitoring and Vibration Signal Detection。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
