[发明专利]一种高度可拉伸高灵敏度的3D打印石墨烯基柔性传感器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高度可拉伸高灵敏度的3D打印石墨烯基柔性传感器及其制备方法，所述的石墨烯基柔性传感器具有两级传感结构，其中一级传感结构由导电填料填充弹性体复合材料构成，二级传感结构由石墨烯在一级传感结构表面包覆形成，最后传感材料在引出电极后封装形成柔性传感器。本发明中通过3D打印技术的使用实现了一级传感结构宏观形状的可控设计，而利用宏观网格填充结构的构建实现了传感器的高度可拉伸特性，同时两级传感结构极大提高了传感器在宽应变区间的灵敏度。本发明所述方法操作简单，所制备的石墨烯基柔性传感器同时兼具高灵敏度和高度可拉伸特性，有潜力被广泛应用于智慧医疗，健康监测，人机交互等领域。

技术领域

本发明涉及一种柔性应变传感器及其制备方法，具体涉及一种兼备高灵敏度系数与高应变感应范围的石墨烯基柔性传感器，属于柔性及可穿戴电子学领域和复合材料技术领域。

背景技术

近年来，随着智慧医疗，健康监测，人机交互等概念的提出，市场对柔性可穿戴的电子设备提出了更高的要求，而作为可穿戴设备核心部件的柔性传感器的性能是决定最终器件及产品性能的关键。通常来讲，柔性传感器可以将检测到的材料形变以电信号（例如电阻R值变化）的形式输出，进而针对不同的人体生理活动（例如呼吸，心跳，脉搏等微小应变到手，胳膊，腿和脊椎的弯曲和旋转等大应变）进行监测。过去几年，针对柔性传感器的研究主要集中在结构设计和新材料开发等方面，例如导电织物，导电填料填充或者包覆弹性体，导电聚合物凝胶等形式的传感器层出不穷；金属纳米粒子及纳米线，碳纳米管以及石墨烯等导电材料也相继被应用于柔性传感器的制备。Liu等通过在不同拉伸状态下的弹性胶带上粘附多层还原氧化石墨烯薄膜，所制备的类鱼鳞结构柔性传感器具有高达82%的拉伸应变，灵敏度GF因子（灵敏度GF因子：被定义为ΔR/R₀和应变ε关系曲线的斜率）达到了150（ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.6b03813）。Yin等通过热解包覆有氧化石墨烯（GO）的棉制绷带制备的柔性传感器在拉伸应变为0-40%时，GF值为416，当拉伸应变在48-57%时，GF值达到了3667（ACS Appl. Mater. Interfaces, DOI: 10.1021/acsami.7b09652）。Tao等通过激光直写一步还原包覆在硅橡胶表面的GO，所制备的传感器的在35%应变时GF值达到457，在最大应变100%时GF值为268（Nanoscale, DOI: 10.1039/c7nr01862b）。专利CN107655397 A利用石墨烯纤维编织网状石墨烯薄膜，进一步将其附着在柔性衬底上所制备的传感器同时具有高的灵敏度系数和大的应变感应范围。专利CN 107655398 A利用石墨烯和带有裂纹的镍膜由内至外依次包覆聚氨酯海绵形成复合材料，进一步使用PDMS封装制备的传感器可在拉伸过程中极大提高传感器的灵敏性。

尽管取得了显著的研究成果，但目前的柔性传感器依然存在着高灵敏度与高可拉伸特性的矛盾，也就是说同时获得高拉伸性和高灵敏度的柔性传感器依然是一个普遍面临的问题。一方面，大的测量范围需要材料在较大形变时依然保持导电网络的联通，另一方面，高的灵敏度需要材料在应变的过程中导电网络结构发生显著的变化。由此看出，解决以上矛盾，实现柔性传感器的灵敏度和可测量应变范围的同时提高是一个极具挑战的课题。

发明内容

本发明旨在解决现有柔性传感器无法同时获得高灵敏度系数与高应变感应范围的矛盾，以期满足柔性传感器在智慧医疗，健康监测，人机交互等领域所要求的更大应变感应范围以及更高监测精度的需求。为此，本发明提供了一种兼备高灵敏度系数与高应变感应范围的石墨烯基柔性传感器及其制备方法。