石墨烯基氣凝膠(GAS)由于具有高壓縮性和高導電性，在壓力傳感領域得到了廣泛的研究。但通常采用的高溫處理一般都會破壞其柔韌性和穩定性。制備具有寬線性范圍和可靠循環性能的壓阻式傳感器仍然是一項具有挑戰性的工作。在此，展示了一種基于甲基纖維素增強氧化石墨烯(MC/GA)氣凝膠的優良的寬范圍壓阻傳感器。為了合理控制MC和GA之間的分子間作用力和化學鍵，建議在120°C下進行水蒸氣還原。有限元分析表明，層狀孔隙起皺的片層有利于減小應力集中。由于MC/GA采用增強、取向和褶皺的層狀氣孔相結合的結構，因此在很寬的范圍內(0-17kPa，R2>0.997)具有優越的線性，高靈敏度(9.38kPa
−1)，響應時間短(<40ms)，以及可靠的循環性能(>99%的保留率)。作為演示，MC/GA傳感器可以監測上嘴唇、喉嚨或手腕的生命體征，并可以感知手指、肘部和腳的大幅運動。這些優點使得MC/GA傳感器在各種健康監測和運動檢測領域有著巨大的潛力。
Figure 1. MC/GA的制作工藝及光學圖像。a)描述MC/GA四步制作過程的原理圖;b)由花蕊支撐的MC/GA的光學圖像，顯示其密度低;c) MC/GA的光學圖像，經過一個周期的壓縮和恢復，并伴隨著LED的照明變化。
Figure 2. 不同配比的MC/GA的SEM圖像。a,b) MC:GO = 2:1 (MC/GA-2);c,d) MC:GO = 1.5:1 (MC/GA-1.5);e,f) MC:GO = 1:1 (MC/GA-1);MC:GO = 1:15 .5 (MC/GA-0.7);MC:GO = 1:2 (MC/GA-0.5)。
Figure 3. 不同蒸煮時間的MC/GA-1的SEM圖像。a、b) 0分鐘;c, d) 10分鐘;e、f) 30分鐘;g h) 60分鐘;i, j) 120分鐘。
Figure 4. MC、GO、MC/GOA-1和MC/GA-1-60 min的化學微觀結構和熱性能。a) FT-IR, b) Raman, c) XPS, e) GO、MC/GOA-1和MC/GA-1-60 min的XRD譜;d) MC/GOA-1和MC/GA-1-60 min的高分辨率XPS C 1s光譜;f) MC、GO、MC/GOA-1、MC/GA-1-60 min的TG曲線。
Figure 5. MC/GA-1的各向異性力學和回彈性能。a) MC/GOA-1和MC/GA-1在5 mm/min轉速下的壓縮力學性能;b) MC/ GA -1- 60min的壓縮力學性能隨壓縮應變的變化，插入:MC/ GA -1- 60min在ε= 0%、60%、80%和90%狀態下的SEM圖像;c) MC/ GA -1- 60min在2 mm/min轉速下的循環壓縮性能;MC/ GA -1- 60min的壓縮力學性能:d)法向，e)與片層平行，插入:壓縮方向示意圖;f)各向同性MC/GA的壓縮力學性能，插入:壓縮方向示意圖;g)隨機排列、h)有序排列和i)有序多孔片層的氣凝膠壓縮應力有限元分析。
Figure 6. MC/GA-1-60 min的電學表征和壓阻傳感性能。a) I-V曲線作為施加壓力的函數;b) 4.4 Pa壓力傳感;c)不同施加壓力下的響應和恢復時間;d)壓敏特性;e) ΔI/I
0對壓力;f) 4.4 Pa的壓-解壓試驗;h) 35%壓縮應變下的20 000個重復循環，g)前20個循環，i)后20個循環;j) strain-sensing屬性;k) bending-sensing性質;l)靈敏度比較;和線性范圍。
Figure 7. 基于MC/ GA的壓阻式傳感器應用演示。生命體征:a)呼吸;b)不同字母的發音;c)手腕脈搏;人體運動檢測:d)手指彎曲，e)肘部彎曲，f)行走時足底壓力。傳感器陣列:g)紙信的壓力。
相關研究工作由國防科技大學Zhenhua Jiang課題組于2021年發表在《ADVANCED MATERIALS TECHNOLOGIES》上，原文：A Wide-Range Linear and Stable Piezoresistive Sensor Based on Methylcellulose-Reinforced, Lamellar, and Wrinkled Graphene Aerogels。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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