西安科技大学《ACS AEM》：自封装透气石墨烯涂层三聚氰胺泡沫，用于监测人体运动等

成果简介

基于三维石墨烯泡沫（GF）的柔性压阻传感器具有导电性高、可变形范围大、重量轻等优点，已应用于人体健康测量、电子皮肤和可穿戴设备。然而，这种传感器的封装和电极连接会降低透气性，导致皮肤不适甚至刺激皮肤。本文，西安科技大学杨嘉怡 副教授团队等在《ACS Appl. Electron. Mater.》期刊发表名为“Self-Encapsulated Breathable Reduced Oxide Graphene-Coated Melamine Foam for Stress Sensing”的论文，研究提出了一种自封装的透气GF（SEB-rGO-MF）和一种基于SEB-rGO-MF的压阻传感器（SEB-rGO-MF-PS）。SEB-rGO-MF-PS由SEB-rGO-MF和两个电极组成，确保封装和电气连接，而不会影响透气性和稳定性。我们对SEB-rGO-MF进行了材料表征和透气性测试，并研究了SEB-rGO-MF-PS的传感机制。SEB–rGO–MF–PS 的灵敏度为 0.108 Pa–1，测量范围为 0.013–15 kPa，快速响应/恢复时间（83 和 166 ms）和出色的稳定性（15 kPa 下 2000 次循环）。此外，本研究还展示了SEB-rGO-MF-PS在人体运动监测中的应用。

图文导读

图1.（a） SEB-rGO-MF-PS的照片。（b）SEB-rGO-MF压缩、弯曲和扭曲的照片。（c-e）SEB-rGO-MF-E和（f-h）SEB-rGO-MF-C的SEM图像。

图2.SEB-rGO-MF的制造过程示意图。

图3.（a、b）FTIR 光谱、（c） 拉曼光谱、（d） XPS 测量光谱以及 （e–f） MF 和 rGO–MF 的 XPS C 1s 光谱。

图4. (a-d) rGO-MF 和 SEB-rGO-MF 重复压缩前后的照片。(e-h）rGO-MF 和 SEB-rGO-MF 重复压缩前后的白色基底照片。(i) 固定在人体皮肤上的 SEB-rGO-MF 和 rGO-MF 的照片。(j) 佩戴 SEB-rGO-MF 和 rGO-MF 1 小时后皮肤的照片。(k) 透气性实验的照片。(l）水分残留率与时间的关系图。

图5. (a) SEB-rGO-MF 的压缩恢复过程。(b) SEB-rGO-MF、rGO-MF 和 MF 的压缩应力-应变曲线。(c) SEB-rGO-MF 在 20%、40% 和 60% 应变时的应力-应变曲线。(d) SEB-rGO-MF 在不同压缩率下的压缩应力-应变曲线。

图6. (a) SEB-rGO-MF-PS 和 rGO-MF-PS 的电流响应。(b、c）SEB-rGO-MF-PS 和 rGO-MF-PS 的电流变化率与时间的关系图。(d）SEB-rGO-MF-PS 和 rGO-MF-PS 的灵敏度和检测范围。

图7。（a） SEB–rGO–MF–PS在3至15 kPa的重复应力下的电流变化率与时间的关系图。（b） 在相同压缩应力和不同应力率下，电流变化率为5-40 mm min-1。（c） SEB–rGO–MF–PS的响应和恢复时间。（d） SEB–rGO–MF–PS在2000次压缩循环中的耐久性测试。

图8. 监测人体运动：（a）手指按压、（b）手指移动、（c）膝盖弯曲、（d）点头、（e）手臂弯曲和（f）手腕弯曲。

小结

综上所述，本文成功证明了 SEB-rGO-MF 具有出色的透气性、良好的机械柔韧性和导电性。此外，我们还研究了 SEB-rGO-MF 的传感机制以及接触电阻对压阻的影响。我们制备了一种 SEB-rGO-MF-PS，在不降低透气性和稳定性的前提下实现了封装和电连接。SEB-rGO-MF-PS 的灵敏度为 0.108 Pa-1，测量范围为 0.013-15 kPa，响应/恢复时间为 83 和 166 ms，稳定性极佳（在 15 kPa 下可循环使用 2000 次）。此外，还成功证明了 SEB-rGO-MF-PS 在监测人体运动方面的潜力。

文献：https://doi.org/10.1021/acsaelm.3c00772