成果简介
随着可穿戴电子设备的发展，柔性传感器受到广泛关注，尤其是高灵敏度传感器。然而，通过热压、真空过滤等常规工艺制备的传感器不够灵敏，无法满足健康检测的需要。为了解决这一问题，本文，北京化工大学孙靖尧 副教授团队在《Journal of Polymer Research 》期刊发表名为“A carbon nanotube/graphene nanoplatelet pressure sensor prepared by combining 3D printing and freeze-drying method”的论文，研究提出了一种基于水凝胶的碳纳米管/石墨烯纳米片/聚二甲基硅氧烷（CNT/GNP/PDMS命名为CGP）压力传感器，采用直接墨迹三维（DIW 3D）打印和冷冻干燥方法制备。
还讨论了基质浸润处理次数对力学性能的影响。通过利用3D打印的可设计性，可以同时制备多个CGP传感器样品，从而节省制备过程中的时间成本。厚度为6 mm的CGP传感器具有优异的灵敏度（最大标距系数（GF）为18.49），高于4 mm厚度和模具法等其他制备方法。同时，我们发现厚度为6 mm的CGP传感器在5000次循环测试中具有良好的循环性能。此外，还系统地进行了一系列性能测试。因此，制备的CGP传感器具有高灵敏度和优异的性能，具有应用于人体运动和健康检测的潜力。
图文导读
图1、a卡波姆水凝胶的制备过程示意图。b卡波姆水凝胶和印刷油墨的复合粘度。c卡波姆水凝胶和印刷油墨的G’ 和 G “之间的关系。d-f不同角度下印刷椭圆环的形状。
图2、a卡波姆水凝胶的形态图像。b凝胶状态。c卡波姆水凝胶和dCNT/GNP 印刷油墨的连续挤出印刷长丝。e卡波姆水凝胶和fCNT/GNP 印刷油墨的良好保形性能展示
图3、CGP 压力传感器的制备过程
图4、CGP压力传感器的性能
图5、用于检测人体不同部位的CGP可穿戴柔性传感器示意图。
小结
本文采用DIW 3D打印和冻干法相结合的方法制备了一种CGP柔性压力传感器。在这里，DIW 3D打印可以同时有效地制备不同数量的传感器前驱体。同时，使用冷冻干燥方法能够重定向CNT和GNP填料并去除水凝胶，以获得CNT/GNP气凝胶骨架。PDMS基体渗透后，CGP压力传感器表现出优异的灵敏度（在较小的压缩范围内，最大GF为18.46）。同样系统地讨论了不同厚度和制备方法对传感器灵敏度的影响。与4 mm厚度和模具法制备的传感器的灵敏度相比，DIW 3D打印和冻干法相结合得到的6 mm厚度CGP传感器的灵敏度有了显著提高，充分证明了该方法的有效性。系统研究了基体浸润处理循环次数对CGP压力传感器力学性能的影响。同时，CGP压力传感器的响应和恢复时间分别为620 ms和720 ms。最后，将CGP柔性传感器固定在志愿者的不同部位，观察其健康状况，证明其耐磨性。综上所述，本文提出的CGP柔性传感器工艺为高灵敏度传感器的制备提供了一种创造性的方法。它有可能应用于人体运动和健康检测。
文献：https://doi.org/10.1007/s10965-024-03972-y
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