由于可穿戴電子設備的快速發展，迫切需要具有高靈敏度、低成本和寬響應范圍的柔性壓阻傳感器。在這里，碳納米管（CNTs）/石墨烯/水性聚氨酯（WPU）/纖維素納米晶（CNC）復合氣凝膠（CNTs/石墨烯/WC）通過簡便的溶液混合和冷凍干燥技術制備，用于高性能壓力傳感器。WPU和CNC被構建為3D結構骨架，CNT的協同效應有助于增強傳感性能。 所獲得的壓力傳感器具有高度多孔的網絡結構、卓越的機械性能（76.16 kPa）、高靈敏度（0.25 kPa
-1）、超低檢測限（0.112 kPa）和高穩定性（> 800次循環）。更重要的是，壓阻傳感器可以成功地用于檢測各種人體運動，如手指彎曲、蹲起、步行和跑步，并通過電信號有效地提取實時信息。此外，CNTs/石墨烯/WC復合氣凝膠表現出優異的隔熱性能，可長時間承受160°C而不損壞結構。碳納米管/石墨烯/WC復合氣凝膠，由于其隔熱性能，賦予傳感器在高溫環境中的應用潛力。結果表明，CNTs/石墨烯/WC復合氣凝膠具有高傳感性能和出色的隔熱性能，這意味著該氣凝膠可用作柔性、可穿戴電子產品。
圖 1. （a）CNTs/石墨烯/WC 復合氣凝膠的制備示意圖和（b） CNTs/石墨烯/WC 復合氣凝膠的數字圖片。
圖 2. WC (a-c)、CNTs/WC (d-f) 和石墨烯/WC (g-i) 在不同放大倍數下的 SEM 圖像。
圖 3. (a-c)不同放大倍數下 CNTs/石墨烯/WC 復合氣凝膠的 SEM 圖像。 (d-f) 和側視 SEM 圖像。
圖 4. WPU, WC, graphene/WC, CNTs/WC,
和CNTs/graphene/WC的紅外圖（左）和XRD圖（右）
圖 5. (a, b) CNTs/石墨烯/WC在120℃ 和 (c, d) 160℃ 的穩定加熱源上的紅外熱成像照片。
圖 6. (a) CNTs/graphene/WC 在壓縮和釋放過程中的照片。 (b) WPU、WC 和 CNTs/石墨烯/WC 的壓縮應力-應變曲線。 (c) 不同循環后 10% 和 30% 最大應變下 CNTs/石墨烯/WC 的壓縮應力-應變曲線。
圖 7. (a) CNTs/WC、(b) 石墨烯/WC 和 (c 和 d) CNTs/石墨烯/WC 在不同壓力下的實時電阻響應。 (e) CNTs/石墨烯/WC復合氣凝膠在0.112 kPa壓力下的相對電阻變化。(f) CNTs/WC、石墨烯/WC和CNTs/石墨烯/WC壓力傳感器的靈敏度。 (g) CNTs/graphene/WC-based sensor 對力的響應分別為 0.5、1.0 和 1.5 mm/s。 (h) CNTs/graphene/WC 的響應時間。(i) CNTs/graphene/WC 在1.568 kPa壓力下連續 800 次壓縮-釋放循環的穩定性能。 (j) 近年來報道的基于氣凝膠的柔性傳感器傳感性能的比較。
圖 8. (a) 循環壓縮示意圖。 (b) CNTs/graphene/WC 在施加壓力下結構變化的示意圖和機械說明。
圖9. 使用碳納米管/石墨烯/碳化鎢復合氣凝膠實時監測各種人體活動，包括(a)手指彎曲，(b)手腕彎曲，(c)肘部彎曲，(d)蹲起，(e)行走和(f)跑步。
相關科研成果由四川大學Ronghui Guo等人于2021年發表在ACS Sustainable Chemistry&Engineering（https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c03068）上。原文：Flexible Waterborne Polyurethane/Cellulose Nanocrystal Composite Aerogels by Integrating Graphene and Carbon Nanotubes for a Highly Sensitive Pressure Sensor。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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