石墨烯應用在高性能可拉伸應變傳感器

石墨烯應用在高性能可拉伸應變傳感器

　　應變傳感器可將機械變形轉化為可探測的電學信號，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域都展現出良好的應用前景。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雜性，應變傳感器在不同應用條件下(溫度，頻率等)的穩(wěn)定性同樣重要。而目前所報道的柔性應變傳感器往往不能同時具備以上性能，使其應用范圍受限。



　　華中科技大學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變傳感器；通過改變相鄰石墨烯片層之間的接觸面積，產生電阻變化，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)間內保持穩(wěn)定響應，實現了全尺度人體運動監(jiān)測。



　　研究人員將石墨烯為基本結構單元，采用化學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絡，并將其與彈性聚合物復合獲得柔性可拉伸應變傳感器。通過原位透射電鏡觀察發(fā)現，相互搭接的石墨烯片層在外力作用下產生相對滑移，其接觸面積也隨之改變，從而產生電阻變化。



　　作者通過控制三維石墨烯網絡宏觀形變將石墨烯片層的滑移控制在可逆范圍內，并通過結構參數優(yōu)化大幅提高了應變傳感器的循環(huán)穩(wěn)定性及在較寬溫度和頻率區(qū)間的穩(wěn)定性。優(yōu)異的感應性能使該類應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備領域具有巨大的應用前景；而基于“滑動變阻器”原理的石墨烯片層結構設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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