暨南大學：基於垂直碳納米片陣列的火焰合成碳泡沫的複合傳感器

2020-09-21 材料分析與應用

成果簡介

本文，暨南大學杜續生研究員團隊在《ACS SUSTAIN CHEM ENG》期刊發表名為「Highly Sensitive Flexible Poly(dimethylsiloxane) Composite Sensors Based on Flame-Synthesized Carbon Foam Made of Vertical Carbon Nanosheet Arraysx」的論文，研究開發了一種通過在Ni模板上一步催化沉積碳來火焰合成碳泡沫（FCF）的簡單方法。FCF在約500°C下於5分鐘內在酒精火焰中沉積，泡沫支撐壁實際上是由垂直碳納米片製成的。

碳支撐層在其兩個表面側之間顯示出獨特的形態。碳撐杆的粗糙內表面起源於垂直排列的碳片，而一些長度小於1μm的短碳納米管則生長在外撐杆表面。FCF @ poly 的應變敏感性研究了（二甲基矽氧烷）複合材料的動態電響應。碳泡沫的獨特的分層結構提高了複合傳感器的性能，該複合傳感器在基於碳泡沫的應變傳感器中表現出最高的應變敏感性之一。在30％的拉伸應變下，複合材料的電阻明顯增加了700％以上。此外，該傳感器在包括手指彎曲和手腕脈搏在內的各種生理檢測中均顯示出高而穩定的靈敏度。本發明的火焰合成方法可能是沉積垂直碳納米片陣列的簡便且有效的技術，其可以發現許多有希望的應用，包括人體生理監測和醫學檢測。

圖文導讀

圖1.（a）碳火焰沉積前後的泡沫鎳數字照片，以及（b，c）泡沫鎳和（d–f）鎳@碳泡沫的SEM圖像。


圖2. FCF的SEM圖像


圖3.（a）垂直生長的碳納米片的製造示意圖。（b）FCF的X射線衍射圖譜；（c）FTIR和（d）FCF的拉曼光譜。


圖4.（a）FCF @ PDMS 複合樣品的SEM圖像和插圖照片；

（b，c）FCF @ PDMS 傳感器的電阻變化（（R – R o）/ R o）在第一和第二拉伸循環中直至30％的拉伸應變的依賴性；

（d）FCF @ PDMS 傳感器在5％，10％和30％應變下的多周期應變傳感行為。


圖5.（a）在12％拉伸下不同拉伸速率下的應變速率依賴性。

（b）在12％拉伸下的1000次循環耐久性測試。

（c）帶有和不帶有拉伸應變的FCF @ PDMS 複合材料的數碼照片。

（d）與FCF支撐杆表面垂直對齊的碳納米片變形的示意圖，以及石墨烯在複合材料的拉伸和釋放過程中，平行於GF支撐表面的薄板。

（e）電阻變化（（R – R o）/ R o）取決於FCF @ PDMS 傳感器的彎曲角度。


圖6. FCF @ PDMS 傳感器對食指關節運動的電阻響應（（R – R o）/ R o）

小結

綜上所述，一種簡便，環保的一步火焰沉積方法製造分級多孔碳網絡。火焰合成碳泡沫（FCF）的中空支柱主要由垂直碳納米片陣列以及直接在外支柱表面上生長的一些短CNT製成。該傳感器對手指彎曲和手腕脈搏等多種生理檢測具有較高的靈敏度和穩定性。結果表明，火焰沉積法製備的泡沫碳結構具有廣闊的應用前景，可用於柔性、可穿戴的生理檢測和醫學監測等領域。

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