高柔性和大變形超彈性氣凝膠在實際應用中已成為迫切的機械需求，但這兩種特性通常是互斥的。本文提出了石墨烯納米纖維氣凝膠(GNFAs)的跨尺度孔隙設計，以打破高柔韌性和超彈性之間的權衡。所得的GNFA在60%的折疊應變下可以在1000次疲勞循環(huán)后完全恢復，在90%的壓縮應變下可以在10000次循環(huán)后保持良好的結構完整性，優(yōu)于大多數(shù)報道的氣凝膠。由雙曲微孔和多孔納米纖維組成的跨尺度多孔結構使其具有較大的彈性變形能力。研究進一步揭示了柔性和超彈性GNFA作為一種檢測張力和彎曲變形的電子傳感器具有高靈敏度和超穩(wěn)定性。作為驗證，將GNFA傳感器應用到人的手指上，通過多層人工神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)了高精度的手語智能識別。本研究提出了一種高度柔性和彈性的石墨烯氣凝膠，用于傳感器技術中的可穿戴人機界面。
圖1. a) GNFA制備示意圖。b) SEM圖像的GNFA跨尺度結構。c)有折疊和彎曲變形的大型樣品的數(shù)碼照片。
圖2. a)納米纖維層間大泡沫的圖解和結構演化。b)纖維間微發(fā)泡的圖解和結構演變。
c) HPF時間對GNFA孔徑和密度的影響。(c) HPF時間與納米纖維直徑的關系。
圖3. a) GNFA在1000次疲勞循環(huán)下的彎曲應變-應力曲線。b) 1萬次疲勞循環(huán)下GNFA壓縮應變-應力曲線。c)剩余應力、塑性變形和能量損失系數(shù)相對于壓縮循環(huán)。d)當振蕩壓縮應變?yōu)?%時，CNFAs的存儲模量、損耗模量和阻尼比隨溫度從- 50°C到250°C的變化。e)納米纖維氣凝膠材料的塑性變形與彈性應變。圖中相應的圓點旁標示了壓縮循環(huán)的次數(shù)。f)納米纖維氣凝膠材料的剩余應力與壓縮循環(huán)。壓縮應變在圖中相應的圓點旁邊標有。g)最大壓縮應變?yōu)?0%時GNFA的原位SEM觀察。
圖4. a)柔性GNFA傳感器結構圖。b)不同密度GNFA傳感器與100%拉伸應變的電阻變化率(△R/R
0)。c)不同密度GNFA傳感器的量規(guī)系數(shù)。d)不同密度GNFA傳感器對90°彎曲角的△R/R
0。GNFA傳感器在疲勞試驗中的機械性能(e)拉伸(1000次循環(huán))和(f)彎曲(10000次循環(huán))。GNFA傳感器的抗疲勞性能可達g) 100%拉伸應變，10000次循環(huán)，h) 50%彎曲應變，1000次循環(huán)。
圖5. a)帶有10個GNFA傳感器和無線DAQ的人手(左)。采集電信號的DAQ結構(右)。
b)制作“A”手語時采集10路傳感器信號。c)從A到z的26個手語字母。d)手語人機交互流程圖，包括信號調(diào)理、采集和處理。e)測試過程中的數(shù)碼照片，識別“A”的手語。
相關研究成果由浙江大學Gao Chao、Xu Zhen、Peng Yuxin和Liu Yingjun課題組2024年發(fā)表在Small (鏈接: https://doi.org/10.1002/smll.202400415)上。原文：Highly Flexible and Superelastic Graphene Nanofibrous Aerogels for Intelligent Sign Language
轉自《石墨烯研究》公眾號
