為了通過(guò)減弱抗壓強(qiáng)度同時(shí)保持彈性來(lái)提高石墨烯氣凝膠基壓阻傳感器的靈敏度，北京化工大學(xué)李曉鋒副教授/于中振教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)雙向冷凍氧化石墨烯的水懸浮液，制備具有高彈性和令人滿意的電導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的輕質(zhì)層狀石墨烯氣凝膠（LGA）。少量有機(jī)溶劑的存在，然后進(jìn)行凍干和熱退火。由于 LGA 的層狀結(jié)構(gòu)，其沿垂直于層狀表面的方向的壓縮強(qiáng)度遠(yuǎn)低于具有相似表觀密度的各向同性和單向排列的石墨烯氣凝膠的壓縮強(qiáng)度，從而導(dǎo)致基于 LGA 的超靈敏壓阻傳感器具有高-3.69 kPa-1 的靈敏度和 0.15 Pa 的低檢測(cè)限。
基于 LGA 的壓阻傳感器的超高靈敏度和低檢測(cè)限有助于檢測(cè)室溫和液氮中的細(xì)微壓力，并具有檢測(cè)動(dòng)態(tài)力頻率和聲音的能力振動(dòng)。此外，由于石墨烯薄片之間的連接點(diǎn)較少，LGAs 切片可以集成為一個(gè)寬范圍且靈敏的彎曲傳感器，可以檢測(cè)從 0°到 180°的任意彎曲角度，檢測(cè)限低至 0.29°，并且有效檢測(cè)手腕脈搏和手指彎曲的生物信號(hào)。相關(guān)論文以題為Rational Design of Soft Yet Elastic Lamellar Graphene Aerogels via Bidirectional Freezing for Ultrasensitive Pressure and Bending Sensors發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。
通過(guò)定向冷凍和凍干形成 LGA
圖1 通過(guò)在水、乙醇或 THF 存在下雙向冷凍 GO 懸浮液，然后冷凍干燥和熱退火來(lái)制造 LGA 的示意圖。
圖2 a–c) IGA、e–g) DGA 和 i–k) LGA 的 SEM 圖像。第一、第二和第三列中的 SEM 圖像分別顯示了石墨烯氣凝膠沿 X、Y 和 Z 方向的形態(tài)。d) IGA、h) DGA 和 l) LGA 的直觀結(jié)構(gòu)。m) 垂直于 Z 方向的 LGA 整體腔 I 的 SEM 圖像。
IGA、DGA 和 LGA 的壓縮性能
圖3 a) LGA、b) DGA 和 c) IGA 沿 Y 軸的循環(huán)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。d) 乙醇輔助石墨烯氣凝膠在 50% 壓縮應(yīng)變下的循環(huán)壓縮強(qiáng)度。e) LGA 的儲(chǔ)能模量、損耗模量和阻尼比（1% 的振蕩應(yīng)變）沿 Y 軸的溫度依賴性。f) THF-IGA 的循環(huán)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。g) LGA 和 h) THF-LGA 和 i) 它們的分布的層狀石墨烯孔壁的彈性模量映射。j) 乙醇輔助和 THF 輔助的 GO 冰塊沿 Y 軸通過(guò)雙向冷凍方法冷凍的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。k) 被相鄰冰晶排除和擠壓的 GO 片的圖示。
LGA、DGA 和 IGA 壓力傳感器的壓阻性能
圖4 電阻變化圖作為 a) 壓縮應(yīng)變和 b) IGA、DGA 和 LGA 的壓縮應(yīng)力的函數(shù)。c) LGA、d) DGA 和 e) IGA 的 SR 值。f) SR 值與報(bào)道的其他基于全碳?xì)饽z的壓阻傳感器的比較。g) LGA 在 50% 壓縮應(yīng)變和 1 Hz 頻率下的電阻變化。
基于LGA的彎曲傳感器的彎曲性能
圖5 a,b) 數(shù)碼照片顯示 LGA 可以沿 X-Z 平面輕松切割，而不會(huì)損壞 LGA 的其余部分。c) 彎曲傳感器工作過(guò)程示意圖。d) 用于測(cè)量彎曲角度的彎曲傳感器的數(shù)碼照片?；?LGA 的彎曲傳感器的 e) 行程響應(yīng)和 f) 電阻變化與彎曲角度的關(guān)系圖。g) 具有微小行程的彎曲傳感器的電阻。h) 彎曲角度為 90°和頻率為 1 Hz 時(shí) LGA 彎曲傳感器的循環(huán)電阻變化。
基于 LGA 的壓力和彎曲傳感器的應(yīng)用
圖6 基于 LGA 的壓力傳感器在 a) 室溫下和 b) 在液氮中承受細(xì)微壓力時(shí)的電阻變化。c）基于LGA的壓力傳感器在液氮中經(jīng)受大變形的電阻變化。d) 基于 LGA 的壓力傳感器的電阻變化，距離手大于 50 厘米，用于檢測(cè)拍手?；?LGA 的壓力傳感器的電阻變化，用于檢測(cè) e) 頻率高達(dá) 2000 Hz 的動(dòng)態(tài)力，以及 f) 從商用藍(lán)牙揚(yáng)聲器發(fā)出的一段 880 Hz 正弦聲音振動(dòng)。用于檢測(cè) g) 人類手腕脈搏和 h) 人類手指彎曲的基于 LGA 的彎曲傳感器的電阻變化。
總結(jié)
通過(guò)乙醇輔助雙向冷凍 GO 的水懸浮液，然后冷凍干燥和熱退火來(lái)制造的，以實(shí)現(xiàn)有效的壓力和彎曲傳感。在雙向冷凍過(guò)程中，乙醇不僅促進(jìn)層狀結(jié)構(gòu)的形成，而且削弱了 LGA 的支柱。由于乙醇的重要作用，與具有其他孔結(jié)構(gòu)的乙醇輔助氣凝膠和具有其他溶劑輔助的層狀氣凝膠相比，LGA 具有低得多的壓縮強(qiáng)度。LGA 的低抗壓強(qiáng)度導(dǎo)致其-3.69 kPa-1 的高靈敏度和 0.15 Pa 的低檢測(cè)限。由于特殊的層狀結(jié)構(gòu)，LGA 可以很容易地切成薄片作為彎曲傳感器?；?LGA 的彎曲傳感器可以檢測(cè) 0°–180°的寬彎曲角度范圍，檢測(cè)限為 0.29°?；?LGA 的壓力傳感器展示了其在檢測(cè)細(xì)微壓力、高頻振動(dòng)、發(fā)聲和極冷環(huán)境下的適用性方面的潛在應(yīng)用，而基于 LGA 的彎曲傳感器在檢測(cè)人體生物信號(hào)方面非常高效。
參考文獻(xiàn)：
doi.org/10.1002/adfm.202103703
