层状石墨烯气凝胶，用于电磁干扰屏蔽和压阻传感器应用

第一作者：Hao Guo

通讯作者：苏州纳米所 钱波

文章信息:  DOI: 10.1002/admt.202101699

成果简介

近日，苏州纳米所钱波团队最新报道了用于电磁干扰屏蔽和压阻传感器应用的3D打印轻型层状石墨烯气凝胶的新策略，该研究成果以“A New Strategy of 3D Printing Lightweight Lamellar Graphene Aerogels for Electromagnetic Interference Shielding and Piezoresistive Sensor Applications”为题发表在《Advanced Materials Technologies》期刊上。

此项工作研究并演示了一种基于剪切细化和冰生长抑制机制的3D打印层状石墨烯气凝胶方法。首先，为了制备大面积有序的GOLCs，将注射器的DIW针头换成了狭缝挤出头。为了有效地对不同的氧化石墨烯分散体施加剪应力，通过衣架模具设计方程对狭缝挤压头进行了精心设计，然后，利用投影微体立体刻蚀技术制备了用于不同氧化石墨烯分散体的狭缝挤压头。其次，将不同TBA质量分数的氧化石墨烯分散体，通过特定设计的缝隙挤压头，在冻结基板上逐层3D打印。最后，将样品经冷冻干燥和化学还原后，制备出石墨烯气凝胶。随着TBA质量分数的增加，石墨烯气凝胶层的排列由垂直于基体变为平行于基体。3 mm样品的x波段电导率为705.6 S m^-1, EMI SE为68.75 dB，与石墨烯气凝胶的已报道值相比处于较高水平。此外，LGA还具有压阻性能，在80%应变时可获得166.51 kPa的高压缩应力，在20%应变时可获得32 ms的快速响应。此外，此方法具有尺寸和形状可伸缩的自由度，可广泛应用于所有具有剪切稀释行为的二维材料分散体制备层状气凝胶，并探索二维材料基气凝胶性能改善的可能性。

图文导读

图1 3D打印LGA流程示意图

图2 氧化石墨烯分散体的流变特性和狭缝挤压头；(a)表观黏度与剪切速率的关系，(b)不同TBA含量的GO分散体的弹性模量和黏性模量与剪切应力的关系，(c)狭缝挤压头内部流道设计(左)、实心结构设计(右)，(d)投影微体光刻3D打印原理图，(e)分别为3种GO分散体制造3个挤压头

图3 挤压过程模拟与实验结果，(a)挤出头中心面的GO-T4扩散速度等值线图(插图)和出口速度分布(蓝色曲线)，(b)等高线图，(c)在扇形区中心横截面和出口处GO-T4弥散速度、剪切速率和黏度曲线，(d)挤压头中心面GO-T4弥散压力等值线图，(e)挤出工艺示意图，(f) GO-T0、GO-T2和GO-T4分散体的差示扫描量热(DSC)曲线，模拟了挤压后一层GO-T4分散体的温度随时间变化的分布，(g)挤压前、(h)一层挤压后、(i)多层挤压后的GO- T4分散体偏振光显微镜(POM)图像，插图为GO-T4片材排列，红色箭头表示图片之间的关系

图4 GOAs和GAs的结构性质，(a) GOA-T0, (b) GOA-T2, (c) GOA-T4扫描电镜(SEM)图像。(d)雌蕊上的GOA-T4，(e) GA-T0, (f) GA-T2, (g) GA-T4的SEM图像，(h) GA-T2压缩试验过程，(i) x射线衍射(XRD)图谱，(j)拉曼光谱，(k) GOA-T4和GA-T4的X射线光电子能谱(XPS)

图5 GA-T4合金的压缩性能和压阻特性，(a)不同压缩应变下的应力应变曲线; (b)在80%的菌株下循环1、10和100次后，(c)压力敏感性和d)压力因子(GF)，(e)用虚线画出的SEM图来解释LGA结构中的压阻传感机理，(f) LGA基压力传感器在不同压缩应变下的响应时间和恢复时间，(g)手指循环弯曲-矫直的阻力变化，(h)分别说出U、S、T、C的声带振动，(i)成年男性的手腕脉搏

信息来源：Adv. Mater. Technol.