基于石墨烯应变传感复合材料，用于先进可穿戴传感器

1成果简介

在复合材料制造过程中，弹性体固化收缩往往会导致导电网络起皱，从而严重影响柔性应变传感器的性能，但人们对这种皱纹的具体作用还不完全了解。本文，北京科技大学姜乃生教授、伍英等研究人员在《Small》期刊发表名为“Multiscale Structural Control by Matrix Engineering for Polydimethylsiloxane Filled Graphene Woven Fabric Strain Sensors”的论文，研究开发了一种高灵敏度的聚二甲基硅氧烷填充石墨烯编织物（PDMS-f-GWF）应变传感器，通过仔细调整基底与固化剂的比例来优化PDMS固化收缩。这种传感器在25%应变时的测量系数达到了约700，比使用市售配方 PDMS的传感器高出6倍多。 这种增强的传感性能归功于石墨烯网络的多尺度结构控制，并通过精确调整PDMS的固化收缩率来实现。通过使用原位扫描电子显微镜、X 射线散射和拉曼光谱，显示出 10:0.8 的优化 PDMS 基底与固化剂比率，可实现从原子到宏观尺度的相互关联的结构变化，包括石墨烯晶格内更大的 “实际 ”应变、石墨烯皱纹的增强扁平化以及裂纹密度的增加。这些发现强调了弹性体收缩在调节导电网络多尺度结构中的关键作用，为基质工程策略提供了新的见解，从而提高了基于弹性体的柔性应变传感器的传感性能。

2图文导读

图1、a） 通过控制 PDMS 固化收缩优化 PDMS-f-GWF 应变传感器的制造工艺示意图。b，c） SEM 图像，以及 d） PDMS-f-GWF 的拉曼光谱。

图2、PDMS-f-GWF 的应变传感特性。

图3、a) SEM (with cracks identified by yellow arrows) and b) optical images of PDMS10:0.8-f-GWF at 30% tensile strain. c) Crack density of PDMS-f-GWFs at different strains. d–f) In situ SEM observations of PDMS10:0.8-f-GWF at different stretching strains. g) Wrinkle densities and cure shrinkages of PDMS-f-GWFs at different tensile strains. h) Schematic illustration of the in situ X-ray scattering measurement, with the sample face perpendicular to the incident X-ray beam and being stretched along theqxdirection. i) SAXS intensity profiles for PDMS10:0.8-f-GWF at different tensile strains. The black arrow indicates the change of power law exponents,n, with increasing tensile strains. j) Fractal dimensions (Ds) of different PDMS-f-GWFs as a function of tensile strain, with black arrows indicating the transition points of fast and slow reduction inDsvalues.

图4、a) Raman maps of the 2D band position at different tensile strains for PDMS10:0.8-f-GWF and PDMS10:1-f-GWF. b) The average Raman 2D band position of the 15 ×15µm images in a) at different tensile strains. c) Typical Raman spectra of PDMS10:0.8-f-GWF at different stretching strains. d) Shift rate of the 2D band at different tensile strains for PDMS10:0.8-f-GWF and PDMS10:1-f-GWF.

图5、通过优化 PDMS 基质实现 PDMS-f-GWF 的多尺度结构控制。

图6、人体运动监测演示。

3小结

在本研究中，我们通过调节复合材料制造过程中 PDMS 的基体固化收缩引起的石墨烯起皱，开发了一种高灵敏度 PDMS-f-GWF 应变传感器。研究发现，PDMS 的基体与固化剂比例为 10:0.8，在所有测试比例（包括商业推荐的 10:1）中，PDMS-f-GWF 的传感性能最佳。PDMS10:0.8-f-GWF 复合材料在灵敏度和拉伸性之间实现了最佳平衡，在 25% 应变时的量规系数达到 700，是 PDMS10:1-f-GWF 的 6 倍多。此外，与 PDMS10:1-f-GWF 相比，PDMS10:0.8-f-GWF 的量规系数在石墨烯生长参数和织物网目数变化的情况下始终保持增强，这表明在这些复合材料中使用 PDMS10:0.8 具有普遍优势。 利用光学显微镜、扫描电子显微镜、SAXS 和拉曼光谱等各种原位技术，对 PDMS-f-GWF 在机械变形过程中从原子到宏观尺度的结构演变进行了表征。研究发现，与 PDMS10:1-f-GWF 相比，PDMS10:0.8-f-GWF 的灵敏度提高主要归因于石墨烯皱纹的减少，这有利于 PDMS 和石墨烯之间更有效的界面应力传递，从而导致碳键的 “实际 ”应变增大、皱纹更容易变平以及裂纹密度增加。我们还证明，平衡良好的微皱纹密度和有效的界面应力传递对于 PDMS-f-GWF 应变传感器实现高灵敏度和大拉伸性至关重要。这些发现凸显了基体配方在提高柔性导电复合材料性能方面的关键作用，为先进应变传感器的优化和合理设计提供了宝贵的见解。

文献： https://doi.org/10.1002/smll.2024‍10148

审核编辑 黄宇