随着科技的进步与发展，柔性应变传感器作为一种柔性、可伸缩的电子设备，引起了社会各领域的极大关注。近日，高分子科学与工程学院观姗姗副教授在复合材料领域期刊Composites Part A: Applied Science and Manufacturing上报道了一种通过绿色环保、可工业化的方式制备的rGO/PDMS柔性导电复合材料，并将其应用于传感领域。本工作通过乳液共混的方式制备了具有3D导电网络结构的PDMS基复合材料(图1)。结果表明，rGO/PDMS复合材料具有优异的柔韧性以及良好的机械性能。此外，得益于PDMS胶乳颗粒的体积排除效应，rGO被选择性的挤压到胶乳球缝隙当中，形成了具有超低rGO含量(0.44 vol%)的3D导电网络(图2)。
图1. rGO/PDMS薄膜的断面(a-b) SEM图和(c-d) TEM图;(e) GO悬浮液、(f)阴离子羟基硅油乳液、(g) GO/PDMS混合物和(h) GO/PDMS薄膜的光学显微镜照片。
图2. (a) rGO/PDMS薄膜在拉伸应变为0%、100%、200%和负载200g重量下的数码照片;(b) PDMS和rGO/PDMS薄膜的应力-应变曲线;(c) rGO/PDMS薄膜的电导率与rGO负载的关系曲线;(d)电导率与ρ-ρc的对数图。
随后，本工作对rGO/PDMS复合材料的传感应用进行了相关研究。PDMS胶乳颗粒类似于“弹性气球”，有助于在外部刺激下实现导电网络的破坏与重建。该应变传感器具有优异的灵敏度(44.01)、较宽的应变范围(0-300%)和良好的稳定性(2500次循环) (图3)。此外，本研究还利用rGO的热阻效应，实现了传感器对于温度的检测。基于以上优异特性，该传感器可以检测人的手指运动、面部肌肉、语音识别、生理信号以及人体的温度变化等(图4)。
图3. (a) rGO/PDMS应变传感器的相对电阻变化与不同线性区域内施加的应变和GF的关系;(b) rGO/PDMS应变传感器在拉伸过程中填料网络的变化示意图;(c) rGO/PDMS传感器的传感性能与文献中报道的柔性应变传感器的比较;(d) rGO/PDMS传感器分别在10%、30%、60%和120%的应变下重复拉伸时相对电阻变化;(e) rGO/PDMS传感器分别在0.025Hz、0.05Hz、0.1Hz和0.2Hz频率下重复30%应变拉伸时的相对电阻变化;(f)快速加载与卸载时相对电阻变化的响应时间;(g) 30%应变下重复加载和卸载时的相对电阻变化。
图4. (a)人体运动检测示意图;(b-c)组装在手指关节和脸颊上的传感器的光学图片和相应信号;(d)连续监测的脉搏信号、附在手腕上的传感器的光学图片(左侧插图)和单个脉搏信号(右侧插图);(e-f)传感器固定在喉咙上，监测志愿者吞咽或说“Hello”和“Graphene”时的相对电阻变化;(g)接近热源期间的电流变化;(h)接近热源时人手背的红外热像图;(i)热源撤离后的电流变化;(j)热源撤离后人手背的红外热像图。
更多信息请参见以“PDMS-based conductive elastomeric composite with 3D reduced graphene oxide conductive network for flexible strain sensor”为题发表在复合材料领域期刊Composites Part A: Applied Science and Manufacturing上的科研论文(DOI:10.1016/j.compositesa.2022.107113)。本文第一作者为金沙集团1862cc高分子科学与工程学院硕士研究生王心成，通讯作者为金沙集团1862cc高分子科学与工程学院观姗姗副教授。此研究工作得到国家自然科学基金(51903133)、山东省重点研发计划项目(2019GGX103030)的支持。
