“轻若鸿毛”的新型高弹性石墨烯-PDMS传感器

柔性、超灵敏的可穿戴传感器件在肌电义肢、软机器人和人体健康监测等领域的广泛应用需求，使得柔性功能材料的制备/加工技术得以快速发展。其中，针对人体运动实施监测的可穿戴电子设备成为当前皮肤电子学领域的研究热点和运动领域的“时髦”装备。在功能材料方面，ZnO、BaTiO₃、聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物等无机或柔性有机压电材料，金属或半导体类压阻式传感材料等基于其制备过程简便、测量范围大被广泛的用于可穿戴传感电子设备的制备。但是，目前多数可穿戴电子设备缺乏足够的柔性和可拉伸性，在人体大幅度运动监测方面存在极大的应用局限性。

近日，荷兰格罗宁根大学Ajay Giri Prakash Kottapalli教授研究团队以聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性体泡沫为多孔骨架，通过表面多次浸涂多层石墨烯（MLG）纳米粒子制备了质量超轻且具有优异可压缩性能的新型石墨烯-PDMS压阻式传感器。该新型传感器密在0-50%的应变范围内平均应变因子为2.87-8.77，有效动态压力变化监测频率达70 Hz；36000余次循环压缩试验以及100余次人体步态运动监测显示其具有卓越的性能稳定性和实时人体运动监测性能。

石墨烯-PDMS传感器制备过程示意图。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

研究团队以方糖为牺牲模板制备多孔PDMS泡沫（平均孔径386 μm），通过多次浸涂多层石墨烯纳米片悬浮液和干燥处理得到石墨烯-PDMS泡沫材料。该石墨烯-PDMS多孔材料密度仅为0.305 g cm^-3。SEM测试表明浸涂石墨烯纳米片在PDMS孔壁呈均匀分布且构成连续导电网络。

石墨烯-PDMS结构表征。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

在PDMS孔壁相互叠加的多层石墨烯纳米片构成导电网络，在压力作用下多层石墨烯纳米片相互叠加面积产生动态变化或脱离断路，进而呈现石墨烯-PDMS体系电阻的动态变化实现压力传感检测。

石墨烯-PDMS传感器应变灵敏性测试。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

对不同静态及动态应变条件下石墨烯-PDMS传感器作为柔性、可穿戴电子器件的传感性能进行测试：传感器电阻变化与器件应变呈现良好的线性关系，5 Hz应变频率下在10%~50%应变范围内具有灵敏的电阻变化、平均应变因子为2.87-8.77。

石墨烯-PDMS传感器性能循环稳定性测试。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

在石墨烯-PDMS传感器性能稳定性方面，基于PDMS基体的高弹性，在长达36000 压缩循环测试其传感性能未呈现衰减。同时，在不同频率 (10 Hz、35 Hz、70 Hz) 应变作用下皆具有良好的应变响应性，传感器响应振幅随施加应变频率的增加而升高。在作为实际穿戴电子器件的应用中，该石墨烯-PDMS传感器能够灵敏、精确的实时监测人体不同步态运动，且展现出优异的柔韧性能够满足长期人体运动监测需求。

石墨烯-PDMS传感器用于人体步态运动监测。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

此外，根据实际医疗或健康监测需求，该石墨烯-PDMS传感器可实现扁平足或中拱脚以及手指、手腕等不同关节运动的在线监测，在个性化医疗保健方面展现出重要的实用性。

不同关节运动的在线监测应用。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

总结

该论文将橡胶基体的高弹性与功能碳材料导电性相结合，通过引入多孔结构赋予了器件优异的压变电阻灵敏性和显著提升的可压缩性。普通的原材料与简便的构筑方法协同构筑了具有优异综合传感性能和实用性的可穿戴柔性电子器件，该研究成果将为新一代轻质、低成本、高效压敏传感器件的开发提供重要的借鉴。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Ultralightweight and 3D Squeezable Graphene-Polydimethylsiloxane Composite Foams as Piezoresistive Sensors

Debarun Sengupta, Yutao Pei, Ajay Giri Prakash Kottapalli

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 35201-35211, DOI: 10.1021/acsami.9b11776