成果简介
由于其特殊的物理特性，石墨烯气凝胶已被生产出来用于传感应用；然而，由于其缺乏机械特性，无法得到进一步应用。本文，长春工业大学李贞玉教授团队在《ACS Applied Nano Materials》期刊发表名为“Carbon Fiber/Methyltrimethoxysilane/Graphene Composite Aerogel for High-Strength Strain Sensors”的论文，研究通过冷冻干燥工艺设计并开发了一种疏水性碳纤维和甲基三甲氧基硅烷增强石墨烯复合气凝胶（aCF-MGA），它具有三维相互连接的分层微结构，并具有明显的蜂窝状结构。
甲基三甲氧基硅烷（MTMS）和氧化石墨烯（GO）通过共价交联和氢键作用形成了致密的层间多孔网络和固层结构。由于碱处理碳纤维（aCF）提供了强大的机械支撑，aCF-MGA 气凝胶具有优异的机械性能和独特的 “多孔蜂窝 ”结构。由于多种物质的协同作用，基于 aCF-MGA气凝胶的传感器能够检测压缩过程中的各种运动信号。它具有 27.34 kPa-1 的高灵敏度，以及超高弹性、超轻密度（4.5mg/cm3）、高导电性（2.85S/cm）、高抗疲劳压缩性（10,000 次循环）、极短响应时间（96ms）和较短弛豫时间（68ms）等优异特性。这使它们能够检测各种运动信号，并意味着aCF-MGA气凝胶可作为可穿戴保护装置和压阻传感器的一种可能材料，用于人机交互和运动健康监测。
图文导读
图1.aGF-MGA 气凝胶制备示意图。（a） aGF-MGA 的制备。（b） aGF-MGA 机制的解释。
图2.化学结构。
图3.典型 aCF-MGA 气凝胶的形态。
图4.机械灵活性。
图5.aCF-MGA3 应变压力传感。
图6.基于 aCF-MGA3 的应变/压力传感，适用于人体的各种运动检测应用。
图7.传感器阵列。
小结
总之，我们成功制备了具有三维互连层状结构的 aCF 和 MTMS 增强石墨烯气凝胶（aCF-MGA），其中碱处理的 CF 在整个石墨烯网络中起到了支撑支架的作用，而MTMS与GO的共价交联和氢键作用增强了aCF-MGA的耐久性和疏水性。aCF 增强的rGO片不仅形成了片层，还为气凝胶提供了更多的导电通道，从而提供了良好的传感性能。我们制备了一种碳纤维/甲基三甲氧基硅烷/石墨烯复合气凝胶（aCF-MGA），它具有宽范围（0-10kPa）的线性灵敏度（27.34kPa-1）、超轻密度（4.5mg/cm3）和高导电性（2.85S/cm）。作为一种压阻传感器，它具有出色的抗压性能，响应时间和恢复时间分别约为96和 68ms，同时还具有良好的结构稳定性和传感耐久性。在压缩应变为 30% 的条件下，经过 10,000次循环后，电流信号值为初始值的96.67%。此外，组装好的传感器还能监测各种身体运动，并显示出良好的灵敏度。这些优异的性能在可穿戴设备和改进人机交互方面具有巨大的应用潜力。
文献：https://doi.org/10.1021/acsanm.4c05293
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