成果简介
随着人工智能的快速发展，柔性压力传感器的研究引起了研究人员的高度重视。然而，面对航空航天、国防等极端应用环境，对柔性感压活性材料提出了更高的要求。本文，朱寒 副教授、潘凯 研究员团队在《J. Mater. Chem. C》期刊发表名为“Lightweight, Superelastic, and Temperature-Resistant rGO/Polysulfoneamide-Based Nanofiber Composite Aerogel for Wearable Piezoresistive Sensor”的论文，研究设计并制备了一种新型静电纺多磺酰胺和聚丙烯腈（PSAN）纳米纤维增强三维（3D）还原氧化石墨烯气凝胶（GA）。
气凝胶孔壁为叶状结构，内部微孔为“层柱”结构，压缩强度高达26.07 kPa。组装的压阻式传感器具有宽检测范围 （24.97 kPa）、高灵敏度 （32.85 kPa-1） 和宽工作温度范围（-60 至 200 °C）。它具有低压下 300 ms 的快速响应时间、出色的结构稳定性以及超过 3500 次压缩循环的传感耐久性。而且，压阻式传感器可以实时跟踪人体喉咙、面部、手指、肘关节、膝关节等部位的生理和活动信号，在超低温和高温下具有稳定的传感性能。这些优异的传感性能表明GA气凝胶作为一种高性能柔性压阻活性材料在极端环境下具有巨大的应用潜力。
图文导读
图1、 (a) GA的制备过程，(b) GA的不同形状设计，(c) GA承受约1100倍的重量，(d) GA承受高度的扭曲和弯曲，(e) GA放在花蕊上图片。
图2、(a-c)不同放大倍数下 GA-1 的微观结构；(d) GA-1 孔壁结构的扫描电镜图像；(e) GA-1 的孔壁结构与叶片结构相似；(f-h) rGO 片材和 PSAN 纳米纤维在气凝胶孔壁上搭接的 TEM 图像
图3、GO、rGO的FTIR光谱(a)、Raman光谱(b)， GO、rGO、GA的XRD曲线(c)、XPS光谱(d)、c1s光谱(e)， GO、PSAN、GA的TG曲线(f)。
图4、 (a) 显示 GA-1 压缩和恢复过程的照片；(b) rGO 气凝胶和 GA 的体积密度和电导率；(c) rGO 气凝胶和 GA 在 80% 压缩强度下的应力-应变曲线；(d) rGO 气凝胶和 GA 在 80% 应变下的压缩强度、 (e) GA 力学性能增强机制示意图；(f) GA-1 在 10-60%应变下的应力-应变曲线；(g) GA-1 的最大压缩强度和高度保持曲线；(h) GA-1 在 50%应变下循环 50 次的应力-应变曲线。
图5 、GA-1在(a) -60℃、(b) 100℃、(C) 150℃、(d) 200℃条件下50%应变时的应力-应变曲线。
图6、 (a)基于GA-1的压阻传感器组装示意图，(b)不同压力下GA-1压阻传感器的I-V曲线，(c) GA-1压阻传感器的灵敏度，(d) GA-1压阻传感器的阶进压阻传感行为，(e) 20%应变压缩时不同压缩率下GA-1压阻传感器的循环压阻传感性能。(f)基于GA-1的压阻式传感器的响应时间和恢复时间;(g)基于GA-1的压阻式传感器在50%应变下承受超过3500次压缩循环。
图7、基于GA-1的压阻式传感器，用于监测(a)发音信号，(b)吞咽信号，(c)面部浮动的微小肌肉运动信号，(d)手指弯曲程度，(e)肘部弯曲速度，(f)膝关节屈曲迹象。
小结
总之，利用化学还原法和冰模板法相结合的方法，成功研制出了一种坚固、柔韧、导电且具有宽耐温性能的气凝胶。这种复合气凝胶可作为柔性压阻传感器的活性材料，并表现出卓越的性能。值得注意的是，基于 GA-1 组装的压阻传感器具有约 24.97 kPa 的宽工作范围、32.85 kPa-1 的高灵敏度、低至 300 毫秒的快速响应时间以及高达 3500 次循环压缩的出色稳定性。此外，即使在高达 200 °C 的温度下或液氮环境中，它也能表现出出色的压缩稳定性和传感能力。令人印象深刻的压缩强度、灵敏度和温度稳定性使这种纳米纤维增强型石墨烯气凝胶成为压阻器件中极具竞争力的活性材料，特别是在航空航天、国防和极端环境下设计的智能器件中。
文献:https://doi.org/10.1039/D3TC02496B
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