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石墨烯应用在高性能可拉伸应变传感器

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  应变传感器可将机械变形转化为可探测的电学信号,在智能机器人、医疗监测、人机交互界面及仿生假肢等领域都展现出良好的应用前景。特别是针对人体运动行为的实时监测可以有效地评估其健康状况,在可穿戴医疗诊断和个人健康监测中具有重要意义。


  对于人体运动监测,理想的应变传感器件须兼具高拉伸率和良好的稳定性,从而为实现全尺度人体运动检测提供可能。此外,由于人体运动具有多样性和复杂性,应变传感器在不同应用条件下(温度,频率等)的稳定性同样重要。而目前所报道的柔性应变传感器往往不能同时具备以上性能,使其应用范围受限。


  华中科技大学徐鸣教授课题组研发出一种基于“滑动变阻器”工作原理的石墨烯柔性可拉伸应变传感器;通过改变相邻石墨烯片层之间的接触面积,产生电阻变化,该传感器具有高拉伸率(70%),优异的循环稳定性(300,000次),并在0.1-5Hz的频率区间及-45°C-180°C的温度区间内保持稳定响应,实现了全尺度人体运动监测。


  研究人员将石墨烯为基本结构单元,采用化学还原法并辅以对还原时间的控制合成了部分搭接的三维石墨烯网络,并将其与弹性聚合物复合获得柔性可拉伸应变传感器。通过原位透射电镜观察发现,相互搭接的石墨烯片层在外力作用下产生相对滑移,其接触面积也随之改变,从而产生电阻变化。


  作者通过控制三维石墨烯网络宏观形变将石墨烯片层的滑移控制在可逆范围内,并通过结构参数优化大幅提高了应变传感器的循环稳定性及在较宽温度和频率区间的稳定性。优异的感应性能使该类应变传感器既可用于人体大尺度运动(走路、下蹲)的监测,也可用于小尺度运动和微弱生理信号(呼吸、脉搏)的监测。


  该研究成果在个人健康监测、智能机器人和可穿戴电子设备领域具有巨大的应用前景;而基于“滑动变阻器”原理的石墨烯片层结构设计为新型多功能传感器提供了新思路。该工作以“Agraphenerheostatforhighlydurableandstretchablestrainsensor”为题发表在InfoMat(DOI:10.1002/inf2.12030)上


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