近年来，在可穿戴电子和人机交互领域，人们对柔性应变传感器的兴趣激增。然而，随着这些领域的快速发展，迫切需要提高柔性应变传感器的综合性能，包括灵敏度、传感范围、响应速度和耐用性。在这项研究中，本文通过将炭黑/石墨烯（CB/Gr）导电纳米复合材料转移到Ecoflex柔性基板的表面来解决这个问题，该基板已使用砂纸进行预处理以增强附着力。由此产生的柔性应变传感器表现出高灵敏度，应变系数为51.4，同时提供100%的宽传感范围。值得注意的是，该传感器在各个方面都表现出了高性能，包括快速响应时间（60毫秒）和出色的耐用性（多达4000次拉伸-释放循环）。该传感器的多功能性表现在它能够有效监测小应变活动（如语音识别）和大应变活动（例如肘部弯曲）。此外，该传感器在各种应用场景中表现出出色的性能，包括人体健康和运动状况监测以及声波和振动信号检测。因此，这突出了传感器在这些领域的显著适应性和广泛应用的巨大潜力。
 
图1. 传感器的制备过程示意图和传感器的基本特性。（a） 应变传感器的制备过程示意图。（b） 具有表面微观结构的柔性膜的SEM图像。（c） 传感器在拉伸、弯曲和扭曲条件下的真实照片。（d） 传感器在0%应变下的表面形态的SEM图像。（e） 传感器在70%应变下的表面形态的SEM图像。（f） 传感器横截面的SEM图像。
 
图2. 具有不同CB和Gr比率的传感器的导电层粘附性和灵敏度的比较。（a–e）在5%和70%应变下，CB与Gr之比为0:1、3:1、5:1、7:1和1:0的传感器的表面形态图像。（f，g）CB与Gr之比为0:1和1:0的传感器的导电层的粘附性的图像。（h） 不同CB与Gr比值的传感器在0-100%应变范围内的相对电阻变化比较。（i） 没有表面微观结构的传感器在5%和70%应变下的表面形态图像。（j，k）具有和不具有表面微结构的传感器的导电层的粘附性的图像。
 
图3. 传感器的感应机制和相对电阻变化。（a） 传感器的信号感应机构示意图。（b） 传感器的相对电阻随应变的变化。（c） 在施加1%、3%、5%和7%的小应变的5个拉伸-释放循环下，传感器的相对电阻变化。（d–f）在施加30%、50%和70%的大应变的5个拉伸-释放循环下，传感器的相对电阻变化。
 
图4. 传感器的综合性能。（a） 传感器在70%应变下的滞后曲线。（b） 传感器在不同拉伸-释放频率下的相对电阻变化。（c） 传感器在不同应变下的电压和电流之间的关系。（d） 传感器的响应时间和恢复时间。（e） 传感器在大约4000个拉伸-释放循环内的相对电阻变化。（f） 传感器在弯曲状态下的相对电阻变化。（g） 传感器在扭曲状态下的相对电阻变化。（h） 5次拉伸试验下应变与拉力的关系。
 
图5. 该传感器用于监测各种应变传感器。（a） 该传感器用于跟踪人体肘部的弯曲运动。（b） 该传感器用于识别喉咙发出的声音。（c–e）该传感器用于分别监测握拳过程中手腕产生的应变信号、不同运动条件下胸部的膨胀和收缩以及低头时颈椎的弯曲状态。（f） 传感器用于监测扬声器发出的声音。（g） 该传感器用于检测振动信号。
 
      相关研究成果由中南大学Zhilai Lu等人2023年发表在ACS Applied Nano Materials (链接：https://doi.org/10.1021/acsanm.3c03718)上。原文：High Performance Strain Sensor Based on Carbon Black/Graphene/Ecoflex for Human Health Monitoring and Vibration Signal Detection。

转自《石墨烯研究》公众号