北化李晓锋/于中振《AFM》超灵敏压力/弯曲传感器双向冷冻软而弹性层状石墨烯气凝胶的合理设计

摘要

为了通过减弱抗压强度同时保持弹性来提高石墨烯气凝胶基压阻传感器的灵敏度，北京化工大学李晓锋副教授/于中振教授团队通过双向冷冻氧化石墨烯的水悬浮液，制备具有高弹性和令人满意的电导网络的轻质层状石墨烯气凝胶（LGA）。少量有机溶剂的存在，然后进行冻干和热退火。由于 LGA 的层状结构，其沿垂直于层状表面的方向的压缩强度远低于具有相似表观密度的各向同性和单向排列的石墨烯气凝胶的压缩强度，从而导致基于 LGA 的超灵敏压阻传感器具有高-3.69 kPa^-1 的灵敏度和 0.15 Pa 的低检测限。

基于 LGA 的压阻传感器的超高灵敏度和低检测限有助于检测室温和液氮中的细微压力，并具有检测动态力频率和声音的能力振动。此外，由于石墨烯薄片之间的连接点较少，LGAs 切片可以集成为一个宽范围且灵敏的弯曲传感器，可以检测从 0°到 180°的任意弯曲角度，检测限低至 0.29°，并且有效检测手腕脉搏和手指弯曲的生物信号。相关论文以题为Rational Design of Soft Yet Elastic Lamellar Graphene Aerogels via Bidirectional Freezing for Ultrasensitive Pressure and Bending Sensors发表在《Advanced Functional Materials》上。

图解

通过定向冷冻和冻干形成 LGA

图1 通过在水、乙醇或 THF 存在下双向冷冻 GO 悬浮液，然后冷冻干燥和热退火来制造 LGA 的示意图。

图2 a–c) IGA、e–g) DGA 和 i–k) LGA 的 SEM 图像。第一、第二和第三列中的 SEM 图像分别显示了石墨烯气凝胶沿 X、Y 和 Z 方向的形态。d) IGA、h) DGA 和 l) LGA 的直观结构。m) 垂直于 Z 方向的 LGA 整体腔 I 的 SEM 图像。

IGA、DGA 和 LGA 的压缩性能

图3 a) LGA、b) DGA 和 c) IGA 沿 Y 轴的循环压缩应力-应变曲线。d) 乙醇辅助石墨烯气凝胶在 50% 压缩应变下的循环压缩强度。e) LGA 的储能模量、损耗模量和阻尼比（1% 的振荡应变）沿 Y 轴的温度依赖性。f) THF-IGA 的循环压缩应力-应变曲线。g) LGA 和 h) THF-LGA 和 i) 它们的分布的层状石墨烯孔壁的弹性模量映射。j) 乙醇辅助和 THF 辅助的 GO 冰块沿 Y 轴通过双向冷冻方法冷冻的压缩应力-应变曲线。k) 被相邻冰晶排除和挤压的 GO 片的图示。

LGA、DGA 和 IGA 压力传感器的压阻性能

图4 电阻变化图作为 a) 压缩应变和 b) IGA、DGA 和 LGA 的压缩应力的函数。c) LGA、d) DGA 和 e) IGA 的 SR 值。f) SR 值与报道的其他基于全碳气凝胶的压阻传感器的比较。g) LGA 在 50% 压缩应变和 1 Hz 频率下的电阻变化。

基于LGA的弯曲传感器的弯曲性能

图5 a,b) 数码照片显示 LGA 可以沿 X-Z 平面轻松切割，而不会损坏 LGA 的其余部分。c) 弯曲传感器工作过程示意图。d) 用于测量弯曲角度的弯曲传感器的数码照片。基于 LGA 的弯曲传感器的 e) 行程响应和 f) 电阻变化与弯曲角度的关系图。g) 具有微小行程的弯曲传感器的电阻。h) 弯曲角度为 90°和频率为 1 Hz 时 LGA 弯曲传感器的循环电阻变化。

基于 LGA 的压力和弯曲传感器的应用

图6 基于 LGA 的压力传感器在 a) 室温下和 b) 在液氮中承受细微压力时的电阻变化。c）基于LGA的压力传感器在液氮中经受大变形的电阻变化。d) 基于 LGA 的压力传感器的电阻变化，距离手大于 50 厘米，用于检测拍手。基于 LGA 的压力传感器的电阻变化，用于检测 e) 频率高达 2000 Hz 的动态力，以及 f) 从商用蓝牙扬声器发出的一段 880 Hz 正弦声音振动。用于检测 g) 人类手腕脉搏和 h) 人类手指弯曲的基于 LGA 的弯曲传感器的电阻变化。

总结

通过乙醇辅助双向冷冻 GO 的水悬浮液，然后冷冻干燥和热退火来制造的，以实现有效的压力和弯曲传感。在双向冷冻过程中，乙醇不仅促进层状结构的形成，而且削弱了 LGA 的支柱。由于乙醇的重要作用，与具有其他孔结构的乙醇辅助气凝胶和具有其他溶剂辅助的层状气凝胶相比，LGA 具有低得多的压缩强度。LGA 的低抗压强度导致其-3.69 kPa^-1 的高灵敏度和 0.15 Pa 的低检测限。由于特殊的层状结构，LGA 可以很容易地切成薄片作为弯曲传感器。基于 LGA 的弯曲传感器可以检测 0°–180°的宽弯曲角度范围，检测限为 0.29°。基于 LGA 的压力传感器展示了其在检测细微压力、高频振动、发声和极冷环境下的适用性方面的潜在应用，而基于 LGA 的弯曲传感器在检测人体生物信号方面非常高效。

参考文献：