成果简介
最新进展见证了从合成聚合物到天然来源的各种活性材料的激光划线，无需掩膜、后处理或有毒物质。然而，可再生前体上的激光诱导石墨烯 (LIG) 通常需要阻燃预处理和多步脉冲或散焦照射。用聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 对碳化硅 (SiC) 进行激光刻划受到其在宽波长范围内的高透明度的限制。本文，华南理工大学Wentao Wang等研究人员在《AMT》期刊发表名为“Laser Induced Graphene/Silicon Carbide: Core–Shell Structure, Multifield Coupling Effects, and Pressure Sensor Applications”的论文，研究提出采用结构设计策略同时解决这两个难题，即碳化布/PDMS的激光划线制备LIG/SiC复合材料。将天然棉布预碳化并插入 PDMS 基材中，以促进吸热以原位形成SiC，而附着在碳化布上的柔软PDMS则吸收热量并隔离氧气，能够将无定形碳转化为LIG。
在这些多场耦合效应下，在碳化布上形成了具有可调质量比、形貌和石墨烯缺陷的核壳 LIG/SiC 电极。实验上，LIG/SiC压力传感器表现出1.91 kPa-1 的良好灵敏度在 0–226.7kPa 的超宽传感范围内。通过演示不同的场景，例如实时监测大的身体运动、微小的脉搏和心跳，柔性压力传感器在可穿戴电子产品中具有很大的应用前景。
图文导读
图1、a) 一块主要由 87-90% 纤维素组成的天然棉布用作碳前体。b) LIG/SiC复合材料在碳化布/PDMS混合前驱体激光划线中的共转化过程示意图。c) 示意图显示液体PDMS的粘度可以通过预固化时间来调节，使碳化布下沉到设计的高度。d-e）不同预固化时间的碳化布/PDMS杂化前驱体的横截面形貌和薄层电阻随预固化时间的变化。f）碳化布/PDMS在不同波数下的透射率变化。
图2、a) a1 ) 330 µm、a2 ) 120 µm、a3 ) 70 µm 和a4 ) 0 µm生产的碳化布和单纤维的表面形貌。b) b1 ) 330 µm、b2 ) 120 µm、b3 ) 70 µm 和b4 ) 0 µm的插入深度Di生产的碳化布的横截面形貌。c) 激光划片中插入深度D i为 70 µm 时碳化布/PDMS 的动态温度演变。d) 插入深度D i处的表面温度分布330 µm、120 µm、70 µm 和 0 µm。e) 不同插入深度D i处最高温度随时间的变化。f) 截面温度随激光光斑中心距离的变化。
图3、a) 在最佳工艺参数 ( P = 2 W, v = 30 mm s -1 )下获得的 LIG/SiC-70 的横截面形貌。b) 放大图像显示了 LIG/Si 电极的典型核壳结构。c) LIG/SiC-70的元素分布表明Si和C元素集中在单根光纤的外环。d) 拉曼光谱和 e) 用 120、70和 0 µm 的不同Di制备的LIG/SiC的XRD图。f) 纯棉、碳化布和LIG/SiC制备的不同Di 120、70和0 µm的TG曲线。g) 纯棉、碳化布和 LIG/SiC-70 的 C 1s、h) O 1s 和 i) Si 2p 峰的高分辨率 XPS 光谱。
图4、a) 示意图显示了光吸收和阻燃处理的协同作用对于碳化布/PDMS 向 LIG/SiC 的共转化是必要的。b) N 2、NO 2和CO 2气体建立短期真空气氛，作为激光划片的物理阻燃剂。c) 两种相互竞争的分解机制为将 PDMS 转化为 SiC 提供了高温化学模型。
图5、a) LIG/SiC压力传感器的3D结构示意图。b) 光学照片显示了 LIG/SiC 压力传感器的小尺寸和良好的柔韧性。c) 压力传感器中大量微裂纹的产生导致巨大的电阻变化。d) 相对阻力变化与不同压力之间的关系。e) 传感器在 200 kPa 压力下的响应时间。(f) LIG/SiC 压力传感器在 f) 不同频率和 g) 不同压力下的循环测试。h) LIG/SiC压力传感器在0-150 kPa高压和0.2 Hz频率下的循环稳定性。
图6、a) LIG/SiC 压力传感器的ΔR/ R0固定在志愿者的手上，b) 手臂，和 c) 喉咙以监测身体运动。d) LIG/SiC压力传感器固定在志愿者手上和 e) 手指分别监测脉搏和心率时的 ∆R/R0 。f) LIG/SiC压力传感器固定到志愿者喉咙时的∆R/R 0和 g) 演示其语音识别能力的音频。h) 压力传感器在鞋垫上的分布和自然步态的运动。i)志愿者慢走时鞋垫上8个点的ΔR/R0 。
小结
综上所述，首先将天然棉布碳化，然后嵌入预固化的 PDMS 中进行激光划线。碳化布用作吸光油墨以补偿PDMS的透明性，PDMS上的原位诱导SiC起到促进无定形碳向LIG转化的阻燃作用。碳化布/PDMS混合前驱体共转化LIG/SiC电极有两个优点：
i）避免添加化学阻燃剂，提高传感器的机械耐久性和工作范围；
ii) 在不牺牲太多电气性能的情况下确保设备的柔软性和灵活性。
柔性压力传感器在监测人体不同物理信号方面的强大功能证实了LIG/SiC电极在可穿戴电子产品中的巨大潜力。
文献：https://doi.org/10.1002/admt.202200441
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