基于冰模板法制备有序层状多孔石墨烯及其传感应用研究

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随着全球信息化的加速,智能机器人与人机融合是未来的发展趋势,这就要求电子器件更加趋向于智能化和柔性化方向发展。柔性电子技术的出现带来了一场电子技术革命,引起全世界相关人员的广泛关注并得到迅速发展。美国《科学》杂志曾将有机电子技术进展列为21世纪世界十大科技成果之一。柔性压力传感器作为关键的柔性电子器件成为了近年的研究热点,虽然许多研究取得了优秀的成果,但仍存在制备工艺复杂、成本较高的问题。另外,柔性传感器的制备在结构设计和材料体系的选择上仍有待进一步深入研究。多孔结构是一种由相互贯通或闭合的孔洞构成的互联网络结构,多孔结构普遍存在于自然界和生产生活环境中。如天然的竹子、木材、蜂窝、动物的毛发以及植物的杆茎,生活中常见的空心砖、汽车轮毂甚至海绵等,它们在宏观或微观结构中都存在多孔结构。相对于无孔结构材料而言,多孔结构材料一般具备相对密度低、相对强度高、比表面积大等优势,此外,还有吸波、隔热、渗透性好等特点,从而在吸附、分离、载体、支架、减噪、保温、传感等方面有广泛的应用。本文受自然界和生活中常见的多孔结构启发,通过冰模板法制备了具有有序层状多孔结构的石墨烯导电材料,并将其用于柔性传感器的设计研究上,为柔性传感器的制备提供了一种行之有效的方法。主要研究内容和结果有以下几点:(1)有序层状多孔石墨烯块体气凝胶的制备与压缩传感性能研究。受自然界植物杆茎层状多孔结构启发,采用冰模板法冷冻干燥技术,制备了有序层状和无序蜂窝状多孔石墨烯块体气凝胶。相比于无序多孔石墨烯,有序层状多孔石墨烯气凝胶具有更好的强度和可压缩性。块状气凝胶具有较强的疏水性,但对于有色试剂和油性物质却有着良好的吸附性,在油水分离方面存在一定的应用潜力。压缩过程下的电阻变化也体现了其在柔性压力传感器领域的应用价值。(2)石墨烯薄膜气凝胶压力传感器的制备与传感性能研究。模仿蜘蛛腿的多绒毛结构,制备具有层状绒毛微结构薄膜气凝胶,对薄膜状气凝胶进行裁剪,通过引入叉指电极,一方面利于电极的导出,另一方面可以增大受力过程中相对电阻的改变,进而提高传感灵敏度,经聚酰亚胺膜封装成压力传感器。组装的压力传感器具有较高的灵敏度(7.48 kPa-1)、较低的检测极限(5 Pa)、较快的响应速度(31 ms)、出色的耐用性(超过1000次循环)。该薄膜传感器还能检测脉搏信号以及区分书写不同字符时的手指受力大小信号,体现了在医疗检测与信息识别领域的潜在应用价值。(3)可拉伸复合凝胶的制备与性能研究。制备的石墨烯气凝胶具有疏水亲油性,采用油凝胶体系填充,以热引发的方式聚合油形成复合凝胶。所制备的复合凝胶导电性随有所降低,但具有更好的机械性能,并赋予石墨烯气凝胶可拉伸的能力,柔性基底的封装进一步提高了复合凝胶的可拉伸能力,可用于人的手指弯曲检测。本文通过冰模板法制备了有序层状多孔石墨烯结构,分别探究了气凝胶的机械性能和压力传感器性能,并通过油凝胶填充制备了可拉伸的复合石墨烯凝胶,为制备柔性压力传感器提供了一种新的策略。
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