成果简介
具有成本效益和可扩展制造方法的高性能柔性应变传感器是人机界面、软机器人和健康监测的迫切需求。本文，华南理工大学Cheng Qian等研究人员在《ADVANCED ENGINEERING MATERIALS》期刊发表名为“3D Printed Reduced Graphene Oxide/Elastomer Resin Composite with Structural Modulated Sensitivity for Flexible Strain Sensor”的论文，研究开发了一种基于数字光处理的3D打印方法，以可扩展且高效的逐层方式制备由还原氧化石墨烯/弹性体树脂 (RGO/ER) 组成的柔性应变传感器复合材料，作为应变传感元件和具有菱形结构的RGO/ER复合材料作为电极。
作为传感元件的RGO/ER复合材料在0.01%至40%的线性应变检测范围内具有 6.723的灵敏度和超过10 000次拉伸-松弛循环的高机械稳定性。此外，通过结构调制，复合材料响应机械变形的灵敏度得到调制和抑制，可用作应变传感器的电极。具有结构调制性能的全3D打印设备可用于监测各种人体运动。
图文导读
图1、a) 基于DLP的3D打印过程示意图。b) 基RGO/ER的3D打印字母“E”和“Q”的照片。c) 基于DLP的3D打印的基于RGO/ER的钻石形状的照片。d) 机械变形期间 RGO/ER 复合材料中的导电路径变化。
图2、a) 3D打印的纯ER的SEM图像。b) RGO的SEM图像。c) 3D打印的RGO/ER复合材料的SEM图像。d) RGO/ER、RGO和ER的拉曼光谱。e) 3D打印ER、RGO/ER和 MWCNT/ER复合材料的应力-应变曲线。f) 不同宽度的RGO/ER复合材料在厚度 (1 mm) 处的电流-电压曲线。
图3、RGO/ER复合材料的机电性能
图4、a）RGO/ER复合材料在不同应变下的总阻抗（Z）-频率曲线。b）不同应变下RGO/ER复合材料的相位角（θ）-频率曲线。c) RGO/ER 复合材料在各种应变下的奈奎斯特曲线。d) 3D打印的RGO/ER复合材料对不同应变的阻抗的简化等效电路图。e) RGO/ER复合材料在不同应变下的电容元件。f) RGO/ER复合材料在不同应变下的电阻元件。
图5、3D打印菱形设计的RGO/E复合材料的灵敏度调制
图6、a) 基于 RGO/ER 的全 3D 打印柔性应变传感器的照片。b) 用于发音测试的应变传感器的电响应。c) 设备对手腕弯曲的电响应。d) 手背弯曲下传感器的电响应。
小结
综上所述，开发了一种基于DLP打印的RGO/ER 复合材料的柔性应变传感器。该器件以RGO/ER为传感元件，以菱形结构的RGO/ER为电极。RGO/ER 传感元件在 40% 的线性检测范围内具有6.723的灵敏度和超过 10 000 次拉伸-松弛循环的良好稳定性，而 RGO/ER 复合电极的电响应受菱形结构的调节，优化灵敏度约为0.815。进一步的研究表明，全3D打印设备展示了其在人体运动检测方面的潜力。
文献：https://doi.org/10.1002/adem.202101068
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