最近，将多种聚合物衬底转换为激光诱导石墨烯（LIG）已成为制造图案化石墨烯基可穿戴电子器件的单一步骤方法，在传感、驱动和能量存储方面具有广泛的应用。与传统石墨烯设计相比，激光诱导热解技术具有许多优点：环保、可设计图案、卷对卷生产和可控形态。在这项工作中，我们通过从商用聚酰亚胺（PI）膜上层压LIG，设计了可穿戴的柔性石墨烯基应变和压力传感器。将制备的LIG转移到薄的聚二甲基硅氧烷（PDMS）片材上，该片材在弹性棉运动织物内交织，织物胶用作可穿戴传感器。单个LIG/PDMS层用作应变传感器，并且设计了两层LIG/PDS（x和y激光定向膜）的垂直堆叠用于压力传感。这一新设计的石墨烯织物（IGT）传感器在排球运动服中执行四项功能，包括排球接收检测、阻挡对手球员传球时手指触碰犯规检测、扣球力测量和球员位置监测。廉价的传感器可以帮助运动员训练，并帮助教练制定比赛策略。

 图1.通过激光诱导热解技术制造LIG图案的示意图，以及排球运动服的设计应变和压力传感器。
 
图2.扫描电镜、拉曼光谱和 XPS 的示意图。（a） LIG/PI胶片的SEM图像。（b） LIG/PDMS的诱导石墨烯线。（c） LIG/PDMS的横截面图。（d） IGT传感器的拉曼光谱。（e） XPS对LIG和聚酰亚胺薄膜（PI）的调查比较。（f） LIG/PI和LIG/PDMS的C 1s XPS频谱。
 
图3.IGT应变传感器的机械和电气性能测试。（a）IGT传感器电阻的相对变化与应变变化的响应，拉伸速率为140毫米/分钟。（b）在10%（46毫米/分钟）、40%（154毫米/分钟）、60%（290毫米/分钟）、80%（336毫米/分钟）和100%（476毫米/分钟）的重复应变下15个周期的动态响应。（c）在5%（8毫米/分钟）、10%（15毫米/分钟）、20%（24毫米/分钟）、40%（42毫米/分钟）、60%（82毫米/分钟）、80%（102毫米/分钟）和100%（116毫米/分钟）的应变下，电阻相对变化随梯度增加的响应，持续10个循环，（d）和速度为60、120、270和540毫米/分钟。 （e） 应变阶梯增加和减少时的拉伸性和可恢复性。（f）检测限低于1%菌株。（g）在50%应变下以750毫米/分钟的速度进行10，000次循环的稳定性测试。（h）稳定性试验图的放大部分。
 
图4.IGT压力传感器的机械和电气性能测试。（a） 相对阻力与压力的关系从0到220 kPa的变化。（b） 在10、20、30、100和220 kPa的不同负载压力下相对电阻变化的响应。（c） 0.05、0.1、0.2 和 0.4 Hz 不同频率下的相对电阻变化。（d）在 5.68 Pa 的装卸压力下相对电阻变化的响应。（e）传感器在 30 kPa 下进行 10，000 次循环的稳定性测试包括测试结果的放大部分作为插图。
 
图5.应变和压力传感的微观结构和高线性机制的理论研究。（a） 片状电阻器R₁可以描述基于LIG的器件的非线性拉伸电阻和等效电路。（b） R1与非线性拉伸阻力R₂串联连接。（c） 平面内R₁阻力随拉伸速率线性增加。（d） 几条线N和应变变化期间尺寸S的平均变化。当 （e） 应变为 0%、（f） 和 ∼40% 时 IGT 应变装置的 SEM 图像。（g） IGT压力传感器具有面内和面间电阻机构的微观结构机理和高线性度的理论分析。（h） 装卸机制。（i） IGT 压力传感织物上多位点压制的相关传感响应。
 
图6.实时球员位置、扣球效果、排球接球测试监控、手指触球犯规检测。（a）IGT应变传感器在排球训练期间通过膝盖支架进行位置测量。（b）IGT 应变传感器的拉伸传感响应，膝关节弯曲 30°、90° 和 120°。（c） IGT应变传感器经受手臂关节的约束，以实时监测手腕弯曲。（d）在击球过程中手腕弯曲时阻力和反应时间的相对变化。（e）IGT压力传感织物阵列在手臂上进行排球接收统计分析。（f） IGT压力传感器在被排球打孔时的压力感应反应，用于接收速度监测。（g）IGT压力传感织物阵列在手指上进行污垢检测。（h） 在阻挡对手球员的击球时进行手指触摸犯规检测。
 
       相关研究成果由青岛大学Lijun Qu和Mingwei Tian等人2022年发表在ACS Applied Materials & Interfaces (https://doi.org/10.1021/acsami.2c14847)上。原文：Wearable and Flexible Multifunctional Sensor Based on Laser-Induced Graphene for the Sports Monitoring System。

转自《石墨烯研究》公众号