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格羅寧根大學–3D可壓縮超輕石墨烯聚二甲基硅氧烷復合泡沫作為壓阻式傳感器

針對個性化醫療監護的需求,對柔性、超敏、可擠壓、可貼裝和可穿戴傳感器的需求日益增長,因此有必要探索基于納米聚合物復合材料的新型傳感器。在此,我們報道了一種敏感的3D可壓縮石墨烯-聚二甲基硅氧烷(PDMS)泡沫壓阻傳感器,該傳感器通過將多層石墨烯納米顆粒注入糖基多孔PDMS泡沫結構中來實現。所制得的壓阻式泡沫塑料傳感器的靜態和動態壓縮應變測試結果顯示,在0- 50%的應變范圍內,存在兩個線性響應區域,平均應變因子為2.87~8.77。此外,動態刺激響應揭示了傳感器的能力,有效地跟蹤動態壓力高達70赫茲的頻率。該傳感器在36000次循環壓縮載荷和100次完整的人類步態運動周期中顯示出很高的穩定性。通過仿真步態模型和實時步態表征實驗,3D傳感泡沫體可精確的對人體步態進行監測。實時步態實驗表明,鞋底三個位置的壓力分布信息不僅可以區分步行和跑步等不同的人類步態,還可以識別可能的跌倒情況。本論文還展示了傳感器區分足部解剖結構的能力,如扁平足(低中心弓)和中弓腳,這是更有效的生物力學。此外,傳感器能夠感知各種基本的關節運動反應,證明它們適合于個性化醫療應用。

格羅寧根大學--3D可壓縮超輕石墨烯聚二甲基硅氧烷復合泡沫作為壓阻式傳感器

Figure 1.?可壓縮石墨烯-PDMS泡沫傳感器的制備:(a)多層石墨烯納米薄片(MLG)滲透PDMS泡沫的示意圖;(b)具有電觸點的單一PDMS-MLG泡沫傳感器的示意圖:(c)石墨烯-PDMS泡沫傳感器的(c)可擠壓性和(d)超輕性。

格羅寧根大學--3D可壓縮超輕石墨烯聚二甲基硅氧烷復合泡沫作為壓阻式傳感器

Figure 2.?負載MLG前后PDMS泡沫的SEM圖:(a, b)不同放大倍數下未PDMS泡沫體的多孔結構;(c, d)?載有MLG兩種不同放大倍數的PDMS泡沫,其孔壁被MLG納米薄片覆蓋,形成一個納米材料滲透網絡。

格羅寧根大學--3D可壓縮超輕石墨烯聚二甲基硅氧烷復合泡沫作為壓阻式傳感器

Figure 3.?石墨烯-PDMS泡沫傳感器中可能的應變誘導電阻調制機制的示意圖:(a)傳感器中觀察到的應變誘導電阻調制的導電域斷開機制的示意圖;(b)應力誘導隧穿電阻調制的示意圖。

格羅寧根大學--3D可壓縮超輕石墨烯聚二甲基硅氧烷復合泡沫作為壓阻式傳感器

Figure 4.石墨烯-PDMS泡沫傳感器表征:(a)用于進行壓阻性表征實驗的裝置的示意圖;(b)石墨烯-?PDMS泡沫傳感器的歸一化電阻隨外加壓縮應變的變化曲線高達9.5%;(c)用于在10-50%范圍內對較大的壓縮應變進行壓阻特性實驗的裝置示意圖;(d)在不同應變下(10% ~ 50%),5種不同壓縮載荷下傳感器響應歸一化電阻變化曲線圖;(e)疊加圖,顯示了傳感器在10%-50%五種不同壓縮應變下的歸一化電阻變化;(f)柱狀圖顯示了石墨烯-?PDMS泡沫傳感器在10%-50%五種不同壓縮應變下的計算應變因子。

格羅寧根大學--3D可壓縮超輕石墨烯聚二甲基硅氧烷復合泡沫作為壓阻式傳感器

Figure 5.?循環壓縮加載和動態應變傳感特性的石墨烯泡沫塑料傳感器:(a)傳感器在5%壓縮應變下對循環加載和卸載的響應;(b)傳感器在10?Hz時時域響應的曲線圖;(c)在35?Hz和70?Hz時傳感器響應的FFT振幅圖。

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Figure 6.?石墨烯-?PDMS泡沫傳感器在人體步態監測中的應用:(a)傳感器對模擬步態的響應圖;(b)軟鞋底傳感器組件(SSA)示意圖;(c)顯示步行時腳趾球和腳后跟區域的傳感器響應圖;(d)顯示跑步時腳趾球、足弓和腳后跟區域的傳感器響應圖;(e)顯示周期性前后傾時腳趾球、足弓和腳跟區域的傳感器響應。

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Figure 7.?石墨烯-?PDMS泡沫傳感器在足部解剖和人體運動監測中的應用:(a)比較低足弓/扁平足與中等足弓生物力學效率的圖像;(b)比較兩種不同足型獲得的SSA壓力響應;(c)傳感器對食指輕彈的響應;(d)傳感器對手腕輕彈的響應。

相關研究成果于2019年由格羅寧根大學Ajay Giri Prakash Kottapalli課題組,發表在ACS Applied Materials & Interfaces (https://doi.org/10.1021/acsami.9b11776)上。原文:Ultra-light weight and 3D squeezable graphene-polydimethylsiloxane composite foams as piezoresistive sensors。

本文來自石墨烯雜志,本文觀點不代表利特納米立場,轉載請聯系原作者。

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