可压缩的3D石墨烯海绵传感器

由于其易于生产和高传感能力，压阻式传感器是适应性应变检测系统中使用最广泛的传感设备。创建一种具有出色响应性，宽检测范围和高稳定性的柔性聚偏二氟乙烯（PVDF）纳米纤维/石墨烯海绵传感器是发表在《Sensors and Actuators A: Physical》杂志上的一项新研究的重点。

研究方向：多轴向可压缩3D PVDF纳米纤维/石墨烯可穿戴复合材料传感器海绵的制备及其集成传感器的应用。图片来源：Macrovector/Shutterstock.com

三维（3D）纳米海绵传感器的意义

当对具有渗透性结构的三维（3D）海绵探测器施加压力时，其形态会发生改变。可以反射各种电脉冲，并且这种改进的功能可以满足可穿戴压阻式传感器件的需求。这些传感器具有基本结构，出色的响应能力和低廉的处理成本。

关于响应性，应力响应光谱和反应时间，纳米技术应力探测器提供更大，更可靠的功能。这些传感器还具有多功能应力检测的特点，更适合最新的传感器研发。

目前的制备方法及其局限性

基于海绵图案的施工和冷冻干燥程序是三维（3D）海绵检测器的典型生产方法。浸泡导电基板后，海绵图案组装技术尝试碳化或溶解海绵状模板。另一方面，冷冻干燥过程旨在升华液晶并产生多孔3D海绵结构。

使用这些方法创建的3D海绵探测器显示出有限的有效表面尺寸，并且必须提高海绵的物理韧性。3D海绵的潜在用途由于其低弹性模量，韧性和刚度而受到限制。

用于3D海绵传感器的柔性基质和纳米填料

为了扩大这些传感器在可穿戴技术中的适用性，必须设计具有卓越电气效率和出色机械质量的应力探测器。灵活的网络可以提高传感器的弹性模量、适应性和鲁棒性。3D传感海绵的导电填料的选择对于影响传导和检测能力也至关重要。

不同的导电填料和弹性基复合材料，以及不同的制备技术，可能导致传感器检测能力的差异，例如应力测量范围，响应性和渗透极限。石墨烯作为一种多功能导电基体，具有更高的电导率，并且比碳纳米结构和可渗透碳材料更容易加工成多种形式。

除了选择合适的导电表面外，增加海绵传感器的有效接触面积也至关重要。这可以通过使用静电纺丝纳米纤维来实现。

氟塑料纳米纤维聚偏二氟乙烯（PVDF）具有很好的拉伸韧性，硬度，抗冲击性和疲劳强度。此外，与静电纺丝相结合的溶液方法是生产PVDF纳米纤维的一种相当简单且具有成本效益的方法。

一种新型3D纳米纤维/石墨烯海绵传感器

本研究生产了一种用于可穿戴设备的多轴可压缩3D石墨烯/纳米纤维海绵传感器。还组装了几个传感器，以通过协同效应最大限度地提高传感能力。

在海绵生产技术中，将电纺片PVDF纳米纤维用作增强材料，而将氧化石墨烯（GO）纳米片用作弹性基板。通过调整PVDF纳米纤维和GO纳米片的重量分布，可以成功地改变电阻和响应性。

研究的主要进展

本研究开发的检测装置是一种多用途可穿戴传感器，具有优异的灵敏度，宽的检测范围和优异的回弹性。结果表明，添加过多的石墨烯会显著增强孔隙结构。石墨烯纳米片交织产生的较厚的透气壁增加了传感器的机械性能。

海绵检测器还具有出色的弹性，弹性恢复率高达90%，其中压缩率超过80%。当向各个方向挤压时，它还表现出广泛的检测范围。

多个海绵传感器通过桥式电路连接，通过计算相应的电阻来计算组合传感器的压阻效率。在桥式电路中加入大量海绵探测器，提高了在给定压缩比下传感设备的总响应能力。

目前的工作有望为在智能可穿戴电子产品领域使用多模压阻式传感器奠定研究基础。

参考

Miao, Y. et al. (2022). Preparation of multi-axial compressible 3D PVDF nanofibre/graphene wearable composites sensor sponge and application of the integrated sensor. Sensors and Actuators A: Physical. Available at: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924424722002862?via%3Dihub