北京化工大學《Adv. Funct. Mater》:可壓縮和快速響應的3D石墨烯...

2021-01-13 騰訊網

本文要點：

一種新型的納米纖維增強石墨烯氣凝膠

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成果簡介

基於石墨烯的氣凝膠作為壓阻傳感器具有高的孔隙率，良好的可壓縮性和導電性，因此已被廣泛研究。然而，同時具有良好的機械性能和優異的感測性能的石墨烯氣凝膠傳感器的製造仍然是一個挑戰。本文，北京化工大學材料科學與工程學院潘凱研究員團隊在《Adv. Funct. Mater》期刊發表名為「1D/2D Nanomaterials Synergistic, Compressible, and Response Rapidly 3D Graphene Aerogel for Piezoresistive Sensor」的論文，研究設計了一種新型的納米纖維增強石墨烯氣凝膠（aPANF / GA），該凝膠具有3D互連的分層微觀結構，並在整個石墨烯網絡中進行了表面處理的PAN納米纖維作為支撐支架。

這種3D互連微孔aPANF / GA氣凝膠結合了43.50 kPa的出色壓應力和28.62 kPa -1的高壓阻靈敏度以及寬範圍（0–14 kPa）的線性靈敏度。當將aPANF / GA用作壓阻傳感器時，壓縮回彈性極佳，在3Pa下的響應時間很快，約為37 ms，並且在2600次循環後結構穩定性和感測耐久性都很好。實際上，在20％壓縮應變下，當前信號值是初始信號值的91.57％。此外，組裝好的傳感器可以以良好的靈敏度監視人體的喉嚨，腕部脈搏，手指，腕部和膝關節的實時運動。這些出色的功能使潛在的健康檢測應用成為可能。

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圖文導讀

圖1、a）aPANF / GA的製造過程，b）aPANF / GA的輕量化，c）aPANF / GA的良好機械性能，d）aPANF / GA的導電性。

圖2、a）aPANF的SEM圖像，插圖為PAN納米纖維，

b）PAN和aPAN納米纖維的FTIR光譜，

c）GO，GA和aPANF / GA的XRD光譜

d）GO，GA和aPANF / GA的拉曼表徵，

e）GA和aPANF / GA的XPS結果，

f）aPANF / GA的C1的高解析度。

圖3、GA，PAN / GA和aPANF / GA的機械性能。

圖4、 a–c）aPANF / GA的微觀結構1-1，

d）aPANF / GA相鄰層結構和孔結構的結構圖，

e）aPANF / GA孔壁的結構圖，

f）aPANF / GA的結構圖GA大層，

g）aPANF / GA相鄰層結構和孔結構的SEM圖像，

h）aPANF / GA孔壁的SEM，

i）aPANF / GA大層的SEM圖像。

圖5、a）I-V不同壓縮應變下aPANF / GA 1-1的曲線，

b）I–t不同壓縮應變下aPANF / GA 1-1的曲線，

c）I–taPANF / GA 1-1下的曲線在不同壓力下進行裝卸。

d）在20％壓縮應變下，經過2600次循環的aPANF / GA 1–1的反覆加載/卸載測試下的I–t曲線。

e）在0-14 kPa內aPANF / GA 1-1的靈敏度，

f）在不同壓力下aPANF / GA 1-1的響應和恢復時間。

圖6、基於PANF / GA的壓阻傳感器在檢測各種人體運動中的應用。

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小結

綜上所述，本文製備了具有3D互連的分層微觀結構的納米纖維增強石墨烯氣凝膠（aPANF / GA），該微結構具有通過整個石墨烯網絡進行表面處理的PAN納米纖維作為支撐支架。在rGO薄板之間作為支架很好地嵌入aPAN納米纖維，可提供43.54 kPa的氣凝膠出色的機械強度。此外，由於aPAN納米纖維增強的rGO片材不僅形成薄片層，而且形成相鄰的壁，因此可以保持GA氣凝膠的優異電導率，因此提供了良好的傳感性能。組裝好的傳感器可以監測人體的喉嚨，手腕脈搏，手指，手腕和膝蓋關節的實時運動，並顯示出良好的靈敏度。這些出色的性能在可穿戴設備和改善人機互動方面具有巨大的潛在應用前景。

文獻：

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