基于碳纳米材料的柔性应变传感器的制备与性能研究

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随着信息时代进步与科技革新,日常生活中,人们对微型化、智能化、多功能型的电子设备需求日益增长,柔性应变传感器件也成为研究热点。但是,目前传感器的活性层结构柔性较差,导致了器件在拉伸过程中存在性能下降与检测精度不理想等问题。柔性传感器的关键在于活性材料的选择与器件结构的设计、制备。碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)和石墨烯(Graphene,GE)等类型的碳纳米材料,因其优异的电学性能、力学性能以及机械性能而被广泛研究。本文主要采用简化的Langmuir-Blodgett(LB)方法制备了碳纳米材料薄膜,薄膜夹在两片富有弹性的聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)薄膜之间形成“三明治”结构的柔性应变传感器件。通过对材料结构表征与器件性能分析,研究碳纳米材料结构对柔性应变传感器件的影响。首先,CNTs自组装形成三维结构的碳管网络,基于CNTs制备的应变类传感器拉伸范围极大程度依赖CNTs薄膜的层数,并且灵敏度高达2843,同时具有质量轻、超薄度、高柔韧性、高稳定性(循环测试1000次)等特点。另外,我们使用具有“树枝状”结构的晶须碳纳米管(Whisker CNT,WCNT),用同样方法制备柔性应变传感器。实验结果显示,这种基于WCNT制备的应变传感器灵敏度高达4839,响应时间可降低到60ms级别,同时具有高拉伸范围、低检测极限(0.05%-420%)、高稳定性(循环1000次)等特点。相较于CNTs薄膜而言,“树枝状”结构的存在形成了3D导电网络显著增加了 WCNT薄膜中有效的导电通道数。为了进一步研究碳纳米材料结构对柔性传感器的影响,我们继续选择具有二维结构的石墨烯纳米材料(GE)以及具有二维缺陷结构的还原氧化石墨烯(Reduced graphene oxide,rGO),用同样的方法制备柔性应变传感器。研究结果发现,由于片状结构的特点,制备的rGO与GE薄膜的导电性较差,使得灵敏度和响应时间、拉伸范围远远不及基于类似棒状的CNTs制备的应变传感器。除了考察单一碳纳米材料结构对制备的柔性应变传感器件的影响,我们又将一维CNTs、WCNT与二维rGO、GE进行层层复合。实验结果表明,基于CNTs@rGO多层薄膜复合的应变传感器、基于CNTs、Whisker CNT@GE复合的应变传感器由于PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/poly(styrenesulfonate))的覆盖或桥接可能存在更多地可变化的接触导电位点,进一步加大了检测量程。
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