石墨烯應(yīng)用在高性能可拉伸應(yīng)變傳感器

石墨烯應(yīng)用在高性能可拉伸應(yīng)變傳感器

　　應(yīng)變傳感器可將機械變形轉(zhuǎn)化為可探測的電學(xué)信號，在智能機器人、醫(yī)療監(jiān)測、人機交互界面及仿生假肢等領(lǐng)域都展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。特別是針對人體運動行為的實時監(jiān)測可以有效地評估其健康狀況，在可穿戴醫(yī)療診斷和個人健康監(jiān)測中具有重要意義。



　　對于人體運動監(jiān)測，理想的應(yīng)變傳感器件須兼具高拉伸率和良好的穩(wěn)定性，從而為實現(xiàn)全尺度人體運動檢測提供可能。此外，由于人體運動具有多樣性和復(fù)雜性，應(yīng)變傳感器在不同應(yīng)用條件下(溫度，頻率等)的穩(wěn)定性同樣重要。而目前所報道的柔性應(yīng)變傳感器往往不能同時具備以上性能，使其應(yīng)用范圍受限。



　　華中科技大學(xué)徐鳴教授課題組研發(fā)出一種基于“滑動變阻器”工作原理的石墨烯柔性可拉伸應(yīng)變傳感器；通過改變相鄰石墨烯片層之間的接觸面積，產(chǎn)生電阻變化，該傳感器具有高拉伸率（70%），優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（300,000次），并在0.1-5Hz的頻率區(qū)間及-45°C-180°C的溫度區(qū)間內(nèi)保持穩(wěn)定響應(yīng)，實現(xiàn)了全尺度人體運動監(jiān)測。



　　研究人員將石墨烯為基本結(jié)構(gòu)單元，采用化學(xué)還原法并輔以對還原時間的控制合成了部分搭接的三維石墨烯網(wǎng)絡(luò)，并將其與彈性聚合物復(fù)合獲得柔性可拉伸應(yīng)變傳感器。通過原位透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，相互搭接的石墨烯片層在外力作用下產(chǎn)生相對滑移，其接觸面積也隨之改變，從而產(chǎn)生電阻變化。



　　作者通過控制三維石墨烯網(wǎng)絡(luò)宏觀形變將石墨烯片層的滑移控制在可逆范圍內(nèi)，并通過結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化大幅提高了應(yīng)變傳感器的循環(huán)穩(wěn)定性及在較寬溫度和頻率區(qū)間的穩(wěn)定性。優(yōu)異的感應(yīng)性能使該類應(yīng)變傳感器既可用于人體大尺度運動（走路、下蹲）的監(jiān)測，也可用于小尺度運動和微弱生理信號（呼吸、脈搏）的監(jiān)測。



　　該研究成果在個人健康監(jiān)測、智能機器人和可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景；而基于“滑動變阻器”原理的石墨烯片層結(jié)構(gòu)設(shè)計為新型多功能傳感器提供了新思路。該工作以“Agraphenerheostatforhighlydurableandstretchablestrainsensor”為題發(fā)表在InfoMat(DOI:10.1002/inf2.12030)上

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