AFM: 3D打印高性能石墨烯壓力傳感器

來源： Engineering ForLife

近年來,，如何提高智能機器人的感知和操縱性能得到了科研人員的廣泛關注,，然而迄今為止,，大多數(shù)模擬皮膚壓力傳感的材料都沒有達到與人體皮膚相當?shù)膲毫�傳感范��,。目前具有較低檢測極限和較廣檢測范圍的壓力傳感器開發(fā)仍然是一項重大挑戰(zhàn),。

近期,，來自蘇州大學江林教授團隊在Advanced Functional Materials上發(fā)表了題為“Beyond Skin Pressure Sensing: 3D Printed Laminated Graphene Pressure Sensing Material Combines Extremely Low Detection Limits with Wide Detection Range”的文章,，介紹了一種可以通過3D打印的石墨烯壓力傳感材料（圖1）。

圖1 3D打印石墨烯壓力傳感材料

首先研究人員使用改進的Hummers方法制備了GO納米片,，并通過抗壞血酸來還原GO懸浮液,，然后將懸浮液與卡波姆膠均勻混合，通過滴加NaOH來調節(jié)溶液的流變性,，最后經(jīng)過凝膠化獲得了H-RGO油墨（圖2a）,。流變測試結果表明，不同石墨烯負載量的H-RGO油墨具有明顯的剪切變稀性能（圖2b）,，在合適的壓力下可以通過噴嘴平穩(wěn)地擠出,。此外材料的儲能模量和損耗模量結果也表明H-RGO油墨的形狀保持性和穩(wěn)定性也較好（圖2c, d）。最后研究人員通過優(yōu)化打印參數(shù),，展示了H-RGO油墨的3D打印效果（圖2e,f,g）,。

圖2 H-RGO油墨的制備及流變性能表征

隨后研究人員用液氮處理打印的樣品然后進行冷凍干燥，并在400度下退火30分鐘來改善石墨烯的還原度和電學性能,，從而獲得了具有微孔結構的石墨烯材料,。此外，研究人員還對樣品進行了PDMS涂覆處理以進一步提高材料的壓縮穩(wěn)定性,。

為了模擬人體皮膚雙機械感受器的協(xié)同作用,，研究人員使用兩種不同石墨烯含量的H-RGO墨水3D打印了雙層石墨烯結構（圖1d），其中低濃度石墨烯結構處理后,，微孔具有較薄的壁厚,，高濃度石墨烯結構處理后，微孔具有較厚的壁厚（圖1e）,。有限元模擬結果表明,，在不同的壓力作用下，頂層薄壁石墨烯結構和底層厚壁石墨烯結構的壓電響應特性具有較好的協(xié)同作用（圖3a）,，且恒定壓力下的電流-電壓曲線表明該雙層石墨烯結構符合歐姆定律（圖3b）,，結合這個特性，研究人員進行了壓力與電流的變化測試,，結果表明該雙層石墨烯結構具有較低的壓力檢測極限和較高的靈敏度,，且具有較廣的壓力檢測范圍（圖3c,d,e,f）和較好的循環(huán)穩(wěn)定性（圖3g）。

圖3 雙層石墨烯結構性能表征

最后研究人員使用了上述雙層石墨烯結構制備了5×5柔性壓力傳感器陣列,，并通過字母來驗證傳感器陣列的空間壓力分布的檢測能力,，結果顯示,，局部壓力的分布圖與字母樣本形狀保持了良好的一致（圖3h）。此外研究人員還基于該石墨烯傳感結構制作了一種壓力感應皮膚,，能夠定量地檢測和顯示各種物體的重量（圖4）,。

圖4 雙層石墨烯結構定量檢測裝置

綜上，研究人員設計和制造了一種雙層石墨烯壓力傳感結構,，其具備較低的壓力檢測極限和較廣的壓力檢測范圍,，且穩(wěn)定性較好，通過與3D打印技術相結合,，未來有望為智能機器人的高性能壓力傳感開發(fā)提供一種有效途徑,。

文章來源：https://doi.org/10.1002/adfm.202202360