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西安交通大学、东莞理工学院--碳纳米管/液态金属杂化涂层基柔性压阻式压力传感器
        近年来,柔性触觉传感器因其在机器人、人机界面及可穿戴设备等领域的巨大潜力备受关注。这类传感器能检测压力、应变等多种信号。传统方法常将弹性聚合物(如PDMS)与导电填料结合,但存在填料泄漏、导电性不稳定等问题。聚合物共混(如PDMS/Ecoflex)可改善机械性能,是更优基体选择。碳纳米管(CNT)因轻质、高导电性成为理想填料,但易团聚且在应变下导电通路易断裂,导致灵敏度低、恢复性差。液态金属(LM)具有高导电性和形变耐受性,但易氧化形成绝缘氧化层,影响稳定性。本研究提出将CNT与LM结合,利用CNT抑制LM氧化,LM改善CNT分散与连接,并通过紫外激光处理进一步降低氧化、增强界面结合,最终制备出高性能柔性压阻传感器。该方法旨在同时解决CNT恢复性差与LM氧化严重的问题,推动柔性电子发展。
 

图1. (a) PE 2:1混合物的制备;(b) 基于CNT/LM的压力传感器的制备。
这段文字描述的是图1中两个子图的内容标题,具体解析如下:
图1(a) - PE 2:1混合物的制备:
PE 2:1混合物:这里的“PE”可能指的是聚合物基体材料,如PDMS(聚二甲基硅氧烷)和Ecoflex的混合物,而“2:1”表示这两种材料的混合比例。这种混合物通常用于制备柔性传感器的基底,因为它结合了PDMS和Ecoflex的优良特性,如弹性、耐化学腐蚀性和易于加工性。
制备:指的是将PDMS和Ecoflex按照2:1的比例进行混合、搅拌、脱 气和固化的过程。这个过程对于获得具有均匀性质和良好机械性能的PE混合物至关重要。
图1(b) - 基于CNT/LM的压力传感器的制备:
CNT/LM:CNT代表碳纳米管,LM代表液态金属。将碳纳米管和液态金属结合使用,可以制备出具有优异电学和机械性能的复合材料。碳纳米管因其高导电性、高强度和轻质特性而被广泛用于增强复合材料,而液态金属则因其高导电性、流动性和可变形性而被用于制备柔性电子器件。
压力传感器:是一种能够感知并转换压力信号为电信号的装置。基于CNT/LM的压力传感器利用碳纳米管和液态金属的复合材料作为敏感元件,当受到压力作用时,复合材料的电阻或电容等电学性质会发生变化,从而实现压力的检测。
制备:指的是将CNT/LM复合材料与PE 混合物结合,通过特定的工艺(如涂布、固化、激光处理等)制备出具有压力传感功能的柔性传感器。这个过程包括将CNT/LM溶液涂布在PE基底上、通过激光处理改善界面结合、以及封装传感器等步骤。
 

图2,碳纳米管-液态金属(CNT/LM)的流变学表征:(a)CNT/LM溶液的频率扫描行为,以及碳纳米管(CNT)、液态金属(LM)和CNT/LM液滴在不同沉降时长下的显微图像;(b)CNT/LM的粘度模量;(c)CNT、LM、CNT-LM在乙醇中的粒径分析;(d)CNT、LM和CNT/LM溶液的Zeta电位。
这段文字描述了图2中关于CNT/LM复合材料流变学表征的四个部分内容,具体解析如下:
(a)部分:
频率扫描行为:流变学中的频率扫描是一种测试方法,用于研究材料在不同频率下的粘弹性响应。通过改变施加在材料上的交变应力的频率,可以测量材料的储能模量(弹性响应)和损耗模量(粘性响应),从而了解材料的粘弹性特性。
显微图像:这部分还展示了CNT、LM和CNT/LM液滴在不同沉降时长下的显微图像。这些图像有助于观察液滴的形态、分散状态以及可能的聚集或沉降行为,对于理解CNT/LM复合材料的微观结构和稳定性具有重要意义。
(b)部分:
粘度模量:粘度模量是描述材料粘性响应的一个参数,通常与损耗模量相关联。在流变学测试中,粘度模量可以反映材料在受到交变应力时,能量以热的形式耗散的能力。对于CNT/LM复合材料来说,粘度模量的测量有助于了解其粘性特性以及在不同条件下的流动行为。
(c)部分:
粒径分析:粒径分析是一种用于测量颗粒大小分布的技术。在这部分中,对CNT、LM以及CNT-LM在乙醇中的粒径进行了分析。了解颗粒的大小和分布对于控制复合材料的制备过程、优化其性能以及预测其应用行为至关重要。例如,颗粒大小可能影响复合材料的导电性、机械强度以及与其他材料的相容性。
(d)部分:
Zeta电位:Zeta电位是描述颗粒表面电荷性质的一个参数,它反映了颗粒在分散介质中的稳定性和相互作用力。在这部分中,测量了CNT、LM和CNT/LM溶液的Zeta电位。Zeta电位的测量有助于了解颗粒之间的静电斥力或吸引力,从而预测复合材料的分散稳定性、聚集行为以及可能的沉淀或絮凝现象。对于CNT/LM复合材料来说,Zeta电位的控制对于优化其制备工艺和提高其性能稳定性具有重要意义。
 

图3. 透射电子显微镜(TEM)观察:(a)碳纳米管(CNT)颗粒和液态金属(LM)液滴;(b)CNT/LM复合颗粒;(c)CNT/LM的选区电子衍射(SAED)图谱;(d)CNT/LM溶液的能量色散X射线光谱(EDX)元素分布图;(e-f)涂覆在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上的新鲜和老化LM及CNT/LM的氧元素EDX分布图。
这段文字描述了图3中利用透射电子显微镜(TEM)及相关技术对CNT、LM及CNT/LM复合材料进行的一系列观察和分析,具体解析如下:
(a)CNT颗粒和LM液滴:
透射电子显微镜(TEM)观察:TEM是一种高分辨率的显微镜技术,能够观察材料的微观结构,包括颗粒的形状、大小和分布等。
CNT颗粒和LM液滴:这部分展示了CNT颗粒和LM液滴在TEM下的形貌。CNT通常呈现为细长的管状结构,而LM液滴则可能呈现为圆形或不规则形状,具体取决于其表面张力和与周围环境的相互作用。
(b)CNT/LM复合颗粒:
这部分展示了CNT与LM结合形成的复合颗粒的TEM图像。复合颗粒的形貌可能因CNT和LM的相互作用方式而异,可能呈现出CNT包裹LM、LM附着在CNT表面或两者混合均匀等不同形态。
(c)CNT/LM的选区电子衍射(SAED)图谱:
选区电子衍射(SAED):SAED是TEM的一种附加技术,用于分析材料的晶体结构。通过选择特定区域进行电子衍射,可以获得该区域的晶体结构信息,如晶格常数、晶体取向等。
CNT/LM的SAED图谱:这部分展示了CNT/LM复合材料的SAED图谱,有助于了解CNT和LM在复合材料中的晶体结构状态,以及它们之间是否存在相互作用导致的晶体结构变化。
(d)CNT/LM溶液的能量色散X射线光谱(EDX)元素分布图:
能量色散X射线光谱(EDX):EDX是TEM的另一种附加技术,用于分析材料的元素组成和分布。通过测量样品在电子束激发下发出的X射线能量,可以确定样品中存在的元素种类及其相对含量。
CNT/LM溶液的EDX元素分布图:这部分展示了CNT/LM溶液中各元素的分布情况,有助于了解CNT和LM在溶液中的混合均匀程度以及可能存在的元素偏析现象。
(e-f)涂覆在PET上的新鲜和老化LM及CNT/LM的氧元素EDX分布图:
聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET):PET是一种常用的塑料基材,具有良好的机械性能和化学稳定性。
新鲜和老化LM及CNT/LM的氧元素EDX分布图:这部分展示了涂覆在PET上的新鲜和老化LM及CNT/LM样品中氧元素的分布情况。通过比较新鲜和老化样品的氧元素分布,可以了解样品在老化过程中可能发生的氧化反应或氧元素的迁移现象,从而评估样品的稳定性和耐久性。
 

图4,(a)碳纳米管-液态金属(CNT-LM)颗粒的傅里叶变换红外光谱(FTIR);(b)涂覆在聚乙烯(PE)上的液态金属(LM)和CNT-LM的X射线衍射(XRD)图谱;(c)液态金属(LM)、碳纳米管(CNT)以及CNT-LM聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜的拉曼光谱(Raman Spectroscopy);(d)LM、CNT以及CNT/LM PET层的X射线光电子能谱(XPS)全谱;(e)CNT、LM以及CNT/LM PET样品的氯(Cl)元素XPS谱图;(f)CNT、LM、CNT/LM PET基底的氧(O1s)元素XPS谱图;(g)LM和CNT/LM样品中镓(Gallium)元素的XPS谱图;(h)CNT/LM样品中镓元素的高分辨率XPS谱图(针对2p3/2轨道);(i)LM样品中镓元素的高分辨率XPS谱图(针对2p1/2轨道)。
 

图5,(a-d)未辐照的碳纳米管-液态金属(CNT-LM)层的扫描电子显微镜(SEM)图像;(b-e 对应调整序号逻辑后应为另一序号表述,此处按原文顺序暂保留原标注形式,实际可能是另一独立部分如(c)对应未辐照层的能谱仪(EDS)分析 )未辐照的CNT-LM层的EDS分析;(e 调整逻辑后应为新序号,如(f))未辐照的CNT-LM层的SEM图像(此处原文“non -iradiated (NT LM layer”可能有误,推测为“non-irradiated CNT-LM layer” );(d 调整后新序号,如(g))辐照后的CNT-LM层的EDS分析;(h)未辐照的CNT-LM与聚乙烯(PE)复合材料横截面的SEM图像;(i)激光辐照后的CNT-LM-PE复合材料横截面的SEM图像;(j)砂纸机械 robustness(稳健性,此处可理解为耐磨性)测试后的电阻记录。
这段文字描述了图5中利用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对未辐照和辐照后的CNT-LM层及其与PE复合材料进行的一系列观察和分析,还涉及了机械耐磨性测试后的电阻记录,具体解析如下:
  1. (a - 对应实际合理序号,如重新排序后的(a))未辐照的CNT-LM层的SEM图像
    • SEM(扫描电子显微镜):是一种利用电子束扫描样品表面来获取样品形貌信息的显微镜技术,具有高分辨率,能清晰呈现样品表面的微观结构。
    • 未辐照的CNT-LM层:这部分展示了未经过辐照处理的CNT-LM层的表面形貌,可观察到CNT和LM在层中的分布状态、颗粒大小、聚集情况等微观结构特征,有助于了解CNT-LM层在初始状态下的结构特性。
  2. (b - 对应实际合理序号,如重新排序后的(b))未辐照的CNT-LM层的EDS分析
  3. EDS(能谱仪):通常与SEM联用,通过分析样品表面被电子束激发产生的特征X射线,来确定样品表面的元素组成和相对含量。
  4. 未辐照的CNT-LM层的EDS分析:这部分提供了未辐照CNT-LM层表面的元素信息,能确定CNT和LM在复合层中各自元素的分布情况以及是否存在其他杂质元素,对于理解CNT-LM层的化学组成和元素分布具有重要意义。
  5. 再次展示未辐照的CNT-LM层SEM图像,可能是从不同角度、不同放大倍数或者不同区域进行观察,以更全面地了解未辐照CNT-LM层的表面微观结构特征。
  6. 辐照后的CNT-LM层:经过特定辐照处理(如激光辐照等)后,CNT-LM层的结构和化学性质可能发生变化。
  7. EDS分析:通过对比未辐照和辐照后的EDS结果,可以分析辐照对CNT-LM层元素组成和分布的影响,例如是否导致元素氧化、元素迁移或者新元素引入等情况。
  8. CNT-LM-PE复合材料:将CNT-LM层与PE复合,旨在结合CNT-LM的特殊性能和PE的良好加工性能及机械性能等。
  9. 横截面SEM图像:展示了未辐照时CNT-LM与PE在复合材料内部的结合情况、界面结构、各组分的分布状态等微观结构信息,有助于了解复合材料的制备效果和内部结构特征。
  10. 激光辐照:是一种常见的材料处理手段,可能改变材料的表面形貌、内部结构以及性能。
  11. 横截面SEM图像:通过与未辐照的复合材料横截面图像对比,可以观察激光辐照对CNT-LM-PE复合材料内部结构的影响,如是否导致界面分离、组分结构变化、产生新的微观结构等。
  12. 砂纸机械耐磨性测试:通过用砂纸对CNT-LM相关材料(可能是层状结构或者复合材料)进行摩擦,模拟材料在实际使用过程中可能受到的机械磨损情况。
  13. 电阻记录:在耐磨性测试过程中记录材料的电阻变化,电阻变化可以反映材料在磨损过程中导电性能的改变,进而评估材料的机械稳健性(耐磨性)以及导电性能在机械应力作用下的稳定性。这对于判断材料在实际应用中的可靠性和耐久性具有重要意义。
  14. (e 调整逻辑后新序号,如(f))未辐照的CNT-LM层的SEM图像(原文可能存在重复或序号错误情况)
  15. (d 调整后新序号,如(g))辐照后的CNT-LM层的EDS分析
  16. (h)未辐照的CNT-LM-PE复合材料横截面的SEM图像
  17. (i)激光辐照后的CNT-LM-PE复合材料横截面的SEM图像
  18. (j)砂纸机械耐磨性测试后的电阻记录
 

图6.(a)初始电阻()的稳定性测试;施加的压缩应变变化及其对聚乙烯/碳纳米管-液态金属(PE/CNT-LM)复合传感器机电性能的影响:(b)10%和15%压缩应变情况;(c)20%和25%压缩应变情况;(d)30%压缩应变情况;PE/碳纳米管(PE/CNT)复合传感器:(e)10%压缩应变情况;(f)经历1000次加载压缩应变循环的传感器耐久性:(g)5%压缩应变情况;(h)25%压缩应变情况。
这段文字描述了图6中针对两种复合传感器(PE/CNT-LM复合传感器和PE/CNT复合传感器)所开展的一系列关于初始电阻稳定性、不同压缩应变对机电性能影响以及传感器耐久性的测试,具体解析如下:
  1. (a)初始电阻()的稳定性测试
    • 初始电阻()是传感器在未受到外界应力(如压缩应变)作用时的电阻值,其稳定性对于传感器的性能至关重要。该测试旨在评估传感器在初始状态下电阻的稳定程度,即在不同环境条件或时间推移下,初始电阻是否能够保持相对恒定。稳定的初始电阻是传感器准确测量后续外界应力变化的基础。
  2. 施加的压缩应变变化及其对PE/CNT-LM复合传感器机电性能的影响
  3. 不同压缩应变情况
    • (b)10%和15%压缩应变情况:通过施加10%和15%的压缩应变,研究PE/CNT-LM复合传感器在这些相对较小压缩程度下的机电性能变化。机电性能通常包括电阻变化与压缩应变之间的关系,即传感器的灵敏度等特性。了解在小压缩应变下传感器的响应,有助于确定其在轻微应力检测场景下的适用性。
    • (c)20%和25%压缩应变情况:随着压缩应变增加到20%和25%,进一步探究PE/CNT-LM复合传感器的机电性能。此时,传感器可能处于中等压缩程度,其内部结构(如CNT-LM的分布和接触状态)可能发生更显著变化,从而影响电阻变化规律。这一测试有助于全面了解传感器在不同压缩阶段的性能表现。
    • (d)30%压缩应变情况:当压缩应变达到30%时,属于较大程度的压缩。此时传感器可能接近其结构承受极限,研究在此压缩应变下的机电性能,可以评估传感器的最大可测量压缩范围以及在高应力下的稳定性和可靠性。
  4. (e)10%压缩应变情况:针对PE/CNT复合传感器,首先测试其在10%压缩应变下的性能。与PE/CNT-LM复合传感器对比,可以了解在没有液态金属(LM)参与的情况下,仅由PE和CNT组成的传感器在相同压缩应变下的机电响应差异,有助于分析LM在复合传感器中所起的作用。
  5. (f)整体耐久性测试概述:耐久性测试是评估传感器在长期使用过程中性能稳定性的重要环节。通过让传感器经历1000次加载压缩应变循环,模拟实际使用中反复受到应力作用的情况,观察传感器在多次循环后的性能变化,如电阻是否发生漂移、灵敏度是否降低等,以判断传感器的使用寿命和可靠性。
  6. (g)5%压缩应变循环情况:在5%的相对较小压缩应变下进行1000次循环测试,研究传感器在低应力反复作用下的耐久性。这种测试有助于了解传感器在长期轻微应力环境中的性能稳定性,适用于一些对轻微振动或压力持续监测的应用场景。
  7. (h)25%压缩应变循环情况:在25%的较大压缩应变下进行1000次循环测试,考察传感器在高应力反复作用下的耐久性。这对于评估传感器在承受较大压力或冲击的工况下的可靠性和使用寿命具有重要意义,例如在工业监测或运动装备等应用场景中。
  8. PE/CNT复合传感器
  9. 经历1000次加载压缩应变循环的传感器耐久性
 

图7。(a)聚乙烯/碳纳米管 - 液态金属(PE/CNT-LM)复合材料在不同压缩应变下的灵敏度因子(GF);(b)PE/CNT-LM复合材料在不同压缩应变下计算得出的线性度和迟滞趋势;(c)在不同施加载荷下的加载 - 保持 - 释放过程;(d)施加载荷为588 N时的加载 - 保持 - 释放过程;(e)在不同施加载荷下的加载 - 释放过程;(f)循环施加载荷后的电阻变化趋势;(g)用聚乙烯(PE)包覆的碳纳米管 - 液态金属(CNT-LM);(h)使用PET/CNT/LM/PET结构对瓶子按压的实时测量。
这段文字描述了图7中针对PE/CNT-LM复合材料开展的一系列测试与分析,涵盖灵敏度、线性度、迟滞特性、加载 - 释放过程以及电阻变化趋势等方面,还涉及材料包覆结构和实际应用场景的实时测量,具体解析如下:
  1. (a)PE/CNT-LM复合材料在不同压缩应变下的灵敏度因子(GF)
    • 灵敏度因子(GF):是衡量传感器或材料对外部应力(如压缩应变)响应灵敏程度的重要参数。它反映了材料电阻变化率与施加应变之间的比例关系,GF值越大,说明材料对压缩应变的响应越灵敏。
    • 不同压缩应变下的GF:通过在不同压缩应变条件下测试PE/CNT-LM复合材料的GF,可以了解该材料在不同应力水平下的灵敏度变化情况。这有助于确定材料在不同应用场景中的适用性,例如在需要高灵敏度检测微小应变的场合,应选择在低应变下具有较高GF的材料。
  2. (b)PE/CNT-LM复合材料在不同压缩应变下计算得出的线性度和迟滞趋势
  3. 线性度:用于描述传感器或材料的输出(如电阻变化)与输入(如压缩应变)之间关系的线性程度。线性度越高,说明输出与输入之间的关系越接近直线,便于进行数据分析和处理。
  4. 迟滞:是指传感器或材料在加载和卸载过程中,相同输入值对应的输出值存在差异的现象。迟滞越小,说明材料在加载和卸载过程中的响应越一致,性能越稳定。
  5. 不同压缩应变下的线性度和迟滞趋势:研究在不同压缩应变下PE/CNT-LM复合材料的线性度和迟滞变化趋势,可以全面了解该材料在不同应力条件下的性能稳定性。这对于优化材料设计和提高传感器精度具有重要意义。
  6. 加载 - 保持 - 释放过程:是一种常见的材料力学性能测试方法,通过依次对材料施加载荷、保持载荷一段时间,然后释放载荷,观察材料在各个阶段的响应,如应变、电阻等变化。
  7. 不同施加载荷下的测试:在不同大小的施加载荷下进行加载 - 保持 - 释放过程测试,可以研究PE/CNT-LM复合材料在不同应力水平下的力学响应和电阻变化规律。这有助于了解材料的承载能力和在复杂应力环境下的性能表现。
  8. 这是对特定施加载荷(588 N)下PE/CNT-LM复合材料加载 - 保持 - 释放过程的详细测试。选择这个特定载荷可能是为了模拟实际应用中可能遇到的典型应力情况,或者为了与之前不同载荷下的测试结果进行对比分析,进一步深入了解材料在该应力水平下的性能特征。
  9. 与(c)中的加载 - 保持 - 释放过程不同,这里省略了“保持”阶段,直接进行加载和释放。这种测试可以更快速地研究材料在不同施加载荷下的瞬态响应,重点关注加载和卸载瞬间材料的应变和电阻变化情况,有助于分析材料的动态性能。
  10. 循环施加载荷:让材料反复经历加载和卸载过程,模拟材料在实际使用中可能受到的循环应力作用。
  11. 电阻变化趋势:观察循环施加载荷后PE/CNT-LM复合材料的电阻变化情况,如电阻是否发生漂移、变化幅度是否增大或减小等。电阻变化趋势可以反映材料在长期循环应力作用下的性能稳定性和耐久性,对于评估材料的使用寿命和可靠性具有重要意义。
  12. 这里描述了一种材料结构,即使用PE对CNT-LM进行包覆。这种包覆结构可能具有多种作用,例如保护CNT-LM免受外界环境影响、改善材料的机械性能、提高材料的稳定性和可加工性等。研究这种包覆结构有助于优化材料性能,拓展材料的应用范围。
  13. PET/CNT/LM/PET结构:这是一种多层复合结构,可能将PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、CNT、LM等材料组合在一起,发挥各自的优势,实现特定的功能。
  14. 瓶子按压的实时测量:将这种复合结构应用于实际场景中,对瓶子按压过程进行实时测量。通过测量按压过程中复合结构的电阻变化等参数,可以实现对瓶子按压力度、按压位置等信息的实时监测,这在实际应用中具有广泛的前景,例如在智能包装、触摸传感等领域。
  15. (c)在不同施加载荷下的加载 - 保持 - 释放过程
  16. (d)施加载荷为588 N时的加载 - 保持 - 释放过程
  17. (e)在不同施加载荷下的加载 - 释放过程
  18. (f)循环施加载荷后的电阻变化趋势
  19. (g)用聚乙烯(PE)包覆的碳纳米管 - 液态金属(CNT-LM)
  20. (h)使用PET/CNT/LM/PET结构对瓶子按压的实时测量
 

图8.(a - d)聚乙烯/碳纳米管/液态金属/聚乙烯(PE/CNT/LM/PE)复合材料的传感特性;(e)PE/CNT/LM/PE传感器横截面的扫描电子显微镜(SEM)图像 - 压缩前;(f)PE/CNT/LM/PE传感器横截面的SEM图像 - 压缩后。
这段文字描述了图8中关于PE/CNT/LM/PE复合材料的两方面内容,一是其传感特性,二是传感器横截面在压缩前后的SEM图像,具体解析如下:
(a - d)PE/CNT/LM/PE复合材料的传感特性
这部分内容聚焦于PE/CNT/LM/PE复合材料作为传感器所展现出的各种特性。由于没有具体说明(a - d)分别对应何种特性,推测可能涵盖以下几个方面:
  • 灵敏度:即传感器对外部刺激(如压力、应变等)的响应程度。对于PE/CNT/LM/PE复合材料传感器而言,灵敏度可能体现在其电阻、电容等电学参数随外界压力变化的幅度大小。高灵敏度意味着传感器能够检测到微小的压力变化,适用于对精度要求较高的应用场景,如生物医学监测中的脉搏、呼吸监测等。
  • 线性度:描述传感器输出信号(如电阻变化)与输入信号(如施加的压力)之间关系的线性程度。理想的传感器输出与输入呈严格的线性关系,这样便于数据的处理和分析。在实际应用中,线性度越高,传感器测量结果的准确性和可靠性就越高。
  • 迟滞特性:指传感器在加载和卸载过程中,相同输入值对应的输出值存在差异的现象。迟滞越小,说明传感器在加载和卸载过程中的响应越一致,性能越稳定。对于PE/CNT/LM/PE复合材料传感器,研究其迟滞特性有助于了解材料在不同压力变化过程中的重复性和稳定性。
  • 响应时间和恢复时间:响应时间是指传感器从受到外界刺激到输出信号达到稳定值所需的时间;恢复时间则是传感器在刺激消失后,输出信号恢复到初始状态所需的时间。快速的响应时间和恢复时间对于实时监测和动态测量非常重要,能够确保传感器及时准确地反映外界压力的变化情况。
(e)PE/CNT/LM/PE传感器横截面的SEM图像 - 压缩前
  • SEM图像的作用:扫描电子显微镜(SEM)能够提供高分辨率的样品表面形貌信息。通过观察PE/CNT/LM/PE传感器横截面的SEM图像,可以清晰地看到传感器内部各层材料的分布情况、界面结构以及微观组织形态。
  • 压缩前的状态:在未施加压缩力的情况下,图像可以展示传感器各层材料的原始排列和结合状态。例如,可以观察到CNT在PE基体中的分散情况、LM层的厚度和均匀性,以及各层之间的界面是否紧密结合等。这些信息对于理解传感器的初始结构和性能基础非常重要,有助于分析后续压缩过程中结构变化对传感性能的影响。
(f)PE/CNT/LM/PE传感器横截面的SEM图像 - 压缩后
  • 与压缩前图像对比:将压缩后的SEM图像与压缩前的图像进行对比,可以直观地观察到传感器在受到压缩力作用后内部结构的变化。例如,可能会出现CNT的重新排列、LM层的变形或流动、各层之间界面出现分离或新的结合现象等。
  • 结构变化与传感性能的关系:这些结构变化与传感器的传感性能密切相关。例如,CNT的重新排列可能会改变材料的导电通路,从而影响传感器的电阻变化;LM层的变形或流动可能会改变其与周围材料的接触面积,进而影响传感器的电容或电阻特性。通过分析压缩后传感器内部结构的变化,可以深入理解传感器在受力过程中的工作机制,为优化传感器设计和提高其性能提供依据。
      本研究通过模塑、涂覆与封装,成功制备了PE/CNT/LM/PE柔性压力传感器。创新的CNT/LM杂化液滴有效抑制了LM表面氧化,激光处理进一步降低氧化层并强化了与基体的结合。传感器表现出优异的综合性能:灵敏系数在10%-30%应变范围内达20.6-57,响应时间快至70毫秒,承载能力高(2451 N),且在25%应变下经过1000次循环仍保持稳定。其卓越性能源于CNT与LM的协同作用:LM提升了导电网络在应变下的连接与恢复性,CNT则增强了稳定性并抑制氧化。https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148637

转自《石墨烯研究》公众号
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