基于激光诱导石墨烯的柔性传感器制备与应用研究
几十年来，研究人员一直致力于开发能够模拟人类皮肤功能的触觉感知技术，制备拟人电子皮肤。电子皮肤融合了高度多样化和跨学科的专业知识，其中柔性传感器是电子皮肤实现触觉感知功能的关键部件。然而，柔性传感器的发展却存在着许多挑战与困难。首先，柔性传感器需要具有可穿戴性，并且能够适应于不同形状的表面，同时也需要具备生物相容性、耐用性和耐磨性。第二，柔性传感器需要实现在复杂环境下的适用性，能够区分多种不同的外部物理刺激，如拉伸、压缩、弯曲和扭转等。随着材料工程的突破，石墨烯、碳纳米管和银纳米线等活性材料的出现使制造具有优异性能、结构简单、重量轻、成本低和大规模生产能力的柔性传感器成为可能。其中，激光诱导石墨烯（LIG）具有一步合成、力学性能优越和导电率高等优点，是制备柔性传感器的理想活性材料之一。本文报道了一种基于LIG的可穿戴柔性传感器的制备技术，利用LIG的多孔结构特性，可以将其转移到柔性基底（如硅胶和聚二甲基硅氧烷（PDMS））上，得到一种LIG基导电弹性复合物，同时实现可伸缩性与导电性。然后，通过各种处理，可制备出具有不同功能的柔性传感器。本文的主要研究内容如下： （1）研究了LIG在聚酰亚胺（PI）膜上的成型机制，探明了激光功率、扫描速度等关键工艺参数对LIG形貌的影响，并对制得的LIG进行了性能表征；研究了LIG在柔性基底上的转移效果，并对所制得的LIG基导电弹性复合物进行了性能表征。 （2）提出了一种基于三维波浪状LIG的柔性压阻式应变传感器的制备方法，将PI膜贴在模具的波浪状表面，使用二氧化碳红外激光在其表面上进行扫描，可以得到具有三维波浪状结构的LIG，然后将其转移到硅胶上并进行封装，可得到波浪状LIG内嵌的柔性应变传感器。 （3）研究了在产生应变过程中应变传感器的应力分布，由于LIG的三维结构，应力集中在波浪状LIG的波谷处，提高了该应变传感器的灵敏度，而且还降低了应力对LIG层的破坏。由此，该应变传感器取得了高灵敏度（在0~31.8%范围内GF=37.8，优于平面状LIG）、低迟滞性（~1.39%）和大工作范围（0~47.7%）等性能指标。此外，该应变传感器被证明了具有稳定的动态响应和长期耐久度，经过5000个拉伸周期后，信号的峰值变化仅2.32%。 （4）提出了一种基于LIG/PDMS泡沫的柔性电容式压力传感器的制备方法，利用一水柠檬酸（CAM）在乙醇中的溶解性以及乙醇对PDMS的超湿润性，可以制备出PDMS泡沫，同时将制得的LIG转移到PDMS泡沫上，便可得LIG/PDMS泡沫复合物，这就是一个柔性电容式压力传感器。 （5）研究了不同孔隙率和厚度对压力传感器的性能的影响，孔隙率越大，厚度越薄，压力传感器对于压力载荷就越敏感，动态响应也更加迅速。该压力传感器具有一体化和结构鲁棒性的优点，并取得了高灵敏度（在15～40kPa范围内GF=～0.026kPa?1）、低迟滞性（～9.762%）和短响应时间（～120ms）等性能指标。在5000次循环的耐久度测试中，信号值的偏差仅为4.548%。而且，该压力传感器具有分辨多个外部物理刺激的识别能力，根据上下电极膜电阻以及电极间电容的信号变化，可以判断出拉、压、弯和扭四种外部物理刺激。 （6）对上述所得的柔性传感器进行实用性研究，使其应用在肌肉收缩/舒张检测、关节运动检测、触控开关以及心率监控等方面。并且通过图形设计，得到了电容式压力传感器的阵列结构，可用于传感二维压力分布。 上述方法具有操作简单、成本低和效率高等特点，所制得的柔性传感器可被应用到可穿戴医疗设备或者电子皮肤，具有巨大的发展潜力和美好的前景。
柔性传感器;石墨烯;激光诱导石墨烯;三维石墨烯;多孔PDMS
广东工业大学
硕士
机械工程
王晗
2021
中文
TP212;TP203
2021-10-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）