基于高密度结构石墨烯纤维的压力传感器及其在运动监测中的应用
学术背景
随着智能可穿戴设备的快速发展，压力传感器作为核心组件，在健康监测、人机交互和人工智能等领域受到广泛关注。压力传感器根据其传感原理主要分为电容式、压电式、摩擦电式和压阻式等类型。其中，压阻式压力传感器因其结构简单、灵敏度高和制造成本低而成为研究热点。然而，如何在实现高灵敏度的同时扩大检测范围，仍然是压阻式传感器在实际应用中的一大挑战。
石墨烯因其优异的导电性、高比表面积和出色的机械强度，在传感器领域表现出色。然而，石墨烯在实际应用中的机械和电气性能往往难以达到理想水平，影响其耐久性和性能一致性。石墨烯纤维作为石墨烯的宏观组装体，继承了石墨烯的优异性能，并因其纤维形态具有良好的可编织性和耐磨性。然而，在制备石墨烯纤维时，如何平衡应力、应变和电气性能仍是一个难题。通过优化纺丝工艺和后处理技术，可以增强石墨烯纤维的性能，进而提高基于纤维的压力传感器的性能。
论文来源
本论文由Yifan Zhi、Honghua Zhang、Lugang Zhang、Qianqian Li、Xiangtian Kuang、Wen Wu、Qingqing Zhou、Ping Li、Wei Li和Huanxia Zhang共同撰写，作者来自东华大学和嘉兴学院。论文于2024年11月19日发表在《Advanced Fiber Materials》期刊上，DOI为10.1007/s42765-024-00502-9。
研究流程
1. 材料准备
本研究首先采用改良的Hummers法制备了氧化石墨烯（GO），并通过作者之前的工作合成了氨基修饰的Fe₃O₄纳米颗粒。其他试剂如乙酸、N-羟基琥珀酰亚胺（EDC）和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐（NHS）等均从商业渠道购买。
2. 纺丝掺杂液的制备
将不同比例的大尺寸和小尺寸GO片与Fe₃O₄纳米颗粒混合，并在冰水浴中超声分散2小时，制备成25 g/L的纺丝掺杂液。通过调节大尺寸和小尺寸GO片的比例（10:0、9:1、8:2、7:3和6:4）以及GO与Fe₃O₄纳米颗粒的比例（10:0、9.5:0.5、9:1、8.5:1.5和8:2），优化了纺丝掺杂液的性能。
3. 石墨烯纤维的制备
将纺丝掺杂液以25 mL/h的流速通过扁平喷丝头挤出到乙酸凝固浴中，并在凝固浴中施加磁场。通过不同的拉伸比（1.0:1.3）收集纤维，并在85°C下真空干燥12小时，得到磁性氧化石墨烯纤维（MGOFs）。随后，使用HI蒸汽还原4小时，最终通过反复洗涤和干燥获得磁性石墨烯纤维（MGFs）和石墨烯纤维（GFs）。
4. 压阻传感器的制备
将制备的MGFs编织成由六根纤维组成的平纹织物，并将五层织物堆叠并用导电胶带连接。最后，将MGFs织物与PET柔性叉指电极结合，并用PDMS薄膜封装。
5. 材料表征
通过扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱仪和小角X射线散射（SAXS）等手段对材料进行了形貌和结构表征。拉伸测试和重复压缩测试分别在万能试验机和源表上进行。
研究结果
1. MGFs的形貌和结构分析
SEM图像显示，经过拉伸的GFs沿长轴方向高度取向，层间距在70-497 nm之间，平均值为183 nm。添加小尺寸GO片后，GFs表面的沟槽现象加剧，层间力增强。添加Fe₃O₄纳米颗粒后，颗粒进入石墨烯片层之间，导致片层密度降低，平均层间距为80.2 nm。AFM分析显示，拉伸后纤维表面的高度差从60 nm减少到45 nm，表明拉伸有效改善了纤维表面的平整度。XPS和XRD分析证实了HI和高温对MGFs的还原效果，拉曼光谱显示还原后缺陷结构减少，SAXS分析表明拉伸和Fe₃O₄纳米颗粒掺杂对石墨烯纤维的有序排列和致密化有不同影响。
2. MGFs压力传感器的传感性能
MGFs压力传感器在低压力范围（0-40 kPa）内表现出高灵敏度（0.233 kPa⁻¹），在高压力范围（>40 kPa）内灵敏度降低至0.048 kPa⁻¹。传感器在不同压力（10、20、30和40 kPa）下的重复压缩实验中表现出良好的重复性和稳定性。响应时间和恢复时间分别为121 ms和158 ms，传感器在1300次循环压缩后仍能保持稳定的电流信号，表现出优异的耐久性。
3. MGFs压力传感器的应用
MGFs压力传感器成功应用于人体生理活动的监测，包括手指按压、肘关节弯曲、手指弯曲、发音、呼吸和脉搏检测。传感器能够准确识别不同压力下的信号，展示了其在可穿戴设备中的广泛应用潜力。
结论
本研究提出了一种通过通道限制GO和添加Fe₃O₄纳米颗粒来制备MGFs的策略，成功构建了基于纤维的可穿戴压力传感器。MGFs具有优异的电气和机械性能，传感器表现出宽检测范围、高灵敏度、快速响应/恢复时间和出色的耐久性。该传感器在生理监测、人机交互和智能可穿戴设备中具有重要应用价值。
研究亮点
- 高密度结构石墨烯纤维：通过优化纺丝工艺和后处理技术，制备了具有高拉伸强度（58.6 MPa）、应变（5.3%）和导电性（1.7 × 10⁴ S/m）的MGFs。
- 多层织物传感层：传感器采用多层织物结构，显著提高了检测范围和灵敏度。
- 快速响应和耐久性：传感器响应时间为121 ms，恢复时间为158 ms，在1300次循环压缩后仍能保持稳定性能。
- 广泛的应用潜力：传感器成功应用于人体生理活动的监测，展示了其在可穿戴设备中的广泛应用前景。
其他有价值的信息
本研究得到了浙江省自然科学基金、国家科技部重点研发计划、嘉兴市科技计划项目等多个项目的支持。数据可从通讯作者处获得。