石墨烯柔性应变传感材料的制备及性能研究

发布时间：2020-04-05 04:18

【摘要】：近年来,石墨烯复合传感材料被广泛应用在应变传感器中。特别随着当今科技的发展,可穿戴设备、柔性屏幕、机器人电子皮肤以及柔性应变传感器的问世对传感材料的要求越来越严苛。而柔性应变传感材料作为应变传感器中的重要组成部分,是监测应力应变的关键所在。当前的电阻型应变传感材料的原理是:材料在受到应力或形变后结构变化导致电阻变化,撤去应力后结构电阻恢复原来的状态。传统的石墨烯/聚合物柔性应变传感材料(尤其是块状气凝胶压缩材料)中引入大量柔性高分子,因此很难兼顾材料的弹性和导电性。除此之外,材料的压缩抗疲劳特性(压缩循环次数)以及传感材料的电信号稳定性也有待提高。在弯曲传感方面,具有高弯曲灵敏度、高导电性(低驱动电压)和弯曲稳定性的传感材料仍然是研究的热点和难点。本文首先以325目的鳞片状石墨通过化学氧化法制备了氧含量高达47.11 wt%,碳氧含量质量比为1.03的氧化石墨。含有大量羟基、羧基、环氧基的氧化石墨可以在去离子水中通过超声作用均匀分散,并得到了层数在6层以内的氧化石墨烯(GO)片。然后在制备石墨烯/羧甲基纤维素(GE/CMC)可压缩电阻式应变传感气凝胶之前,我们首先通过zeta电位分析以及气凝胶的成型情况确定了GO水分散液的浓度为5mg/m L。通过控制CMC的添加量改变复合气凝胶的柔弹性和孔洞结构,并经过水合肼蒸气还原后,优选出孔洞结构均匀致密且具有较好压缩回弹性的GE/CMC-2导电气凝胶作为压缩应变传感材料进行传感性能测试。结果表明,可压缩的GE/CMC-2气凝胶在70%压缩应变条件下的电导率为86.73 S/m,并且气凝胶在经过上千次的疲劳压缩测试后的电导率值仍然比较稳定;在4000次50%应变的循环压缩测试后,材料的相对电阻信号曲线比较规律,并且无明显的变形;70%压缩应变时灵敏度GF可达1.58。但是条状GE/CMC-2气凝胶的弯曲信号响应及重复性仍然有待提高。为了改进传感材料的弯曲应变电阻响应,我们采用真空抽滤-层层自组装的方法,在优选了GO浓度(3 mg/mL)以及还原条件(氢碘酸70℃还原60 min)后,控制CMC含量以及自组装条件得到GE/CMC复合薄膜,并将GE/CMC薄膜镀上一层1 mm厚的硅橡胶提高薄膜的弯曲可操作性。结果表明:GE/CMC-30薄膜弯曲应变时的电流信号响应较为规律,并且在1 mV的低电压驱动下具有明显的电流响应,薄膜的电导率为1321.9 S/m。GE/CMC-30复合薄膜在90°的正向弯曲应变时的应变灵敏度BS高达0.83rad~(-1);薄膜90°正向弯曲应变时的响应时间小于190 ms。在恒电压驱动时,薄膜在弯曲时的电流信号可以转换成电阻信号,并且可以线性拟合成相对电阻R/R_0与弯曲角度θ之间的关系,由相对电阻的值推算出大致的弯曲应变角度;在500次的0-90°正向循环弯曲测试中,GE/CMC-30具有稳定的弯曲信号响应。
【图文】：

从此也开启了碳材料研究的新篇章：石墨烯化学以及材料工作者的研究热点。，石墨烯严格意义上是从多层的石墨中剥离得到的单层有一层或几层（10 层以内）的也称为石墨烯。如图 1-1间以 sp2轨道杂化形成的六边形蜂窝的网络状结构，蜂子之间连线所形成的角度均为 120°，每层碳原子组成的是 3.35 。碳原子间的 sp2杂化中，含有的化学键为：子之间经较强的 σ 键而彼此相连；且六边形碳环中，每子在碳环相邻平面附近形成贯穿整个碳原子平面的大 引而发生不可逆的堆叠主要就是因为大 π 键之间的 π-π证绝对的平整，热力学上的不稳定使得石墨烯层呈现褶。并且由于石墨烯是由碳元素组成的，表面和边缘均没疏水的特性。

第一章 绪论导电桥梁的作用；薄膜的有效拉伸长度可以达到初始长度的 3 倍；并且由于复合导电传感薄膜仅有一侧存在 PDMS 硅橡胶，所以向薄膜不同侧方向弯曲时内部结构变化不一样，从而正向弯曲和反向弯曲时具有不同的相对电阻响应，正向弯曲电阻 R 变大，R/R0大于 1；反向弯曲电阻 R 减小，，R/R0值小于 1（见图 1-2）。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;TP212

【参考文献】

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本文编号：2614528