三维石墨烯泡沫柔性应变传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种三维石墨烯泡沫柔性应变传感器及其制备方法。三维石墨烯泡沫柔性应变传感器，包括三维石墨烯泡沫，三维石墨烯泡沫的两端涂覆有导电胶体，导电胶体上表面中心处设有电极，三维石墨烯泡沫和导电胶体的外围设置有固化后的高分子聚合物。三维石墨烯泡沫柔性应变传感器的制备方法将石墨烯附着在聚合物模板上，渗入高分子聚合材料后制备出基于聚合物模板的三维石墨烯泡沫柔性应变传感器。本发明专利技术的传感器具有大应变能力、高灵敏度、柔性、低成本、制备方法简单、良好的重复性与一致性的优点。

【技术实现步骤摘要】
三维石墨烯泡沫柔性应变传感器及其制备方法
本专利技术属于柔性电子
，特别是涉及一种三维石墨烯泡沫柔性应变传感器及其制备方法。
技术介绍
应变传感器是一种将机械形变转换成电信号的电子器件。应变传感器在人类运动检测、健康诊断、智能服装和电子皮肤等领域有着广泛的应用前景。通常，传统的应变传感器是基于金属薄片或是半导体，可拉伸性较差，小于5%，这一缺点限制了传统应变传感器的应用范围。柔性应变传感器具有较大的延展性、良好的导电性、良好的重复性和耐久性，克服了传统应变传感器可拉伸性较差的缺点，可以满足上述等领域对较大应变测量迫切的需求。其中，石墨烯由于其较高的电导率、出色的柔性和较高的杨氏模量，成为近年来柔性应变传感器领域的研究热点。目前已有许多基于石墨烯的柔性应变传感器相关的研究。申请号：201710086475.0，专利技术名称：一种激光制备不同石墨烯图案应变传感器的方法，公开日为2017年7月7日，公开了该传感器是通过湿式转移法将化学气相沉积法（CVD）制备的石墨烯转移到柔性衬底（PDMS）制备而来。该方法制备的柔性应变传感器可以测量10%的应变。但由于CVD法制备石墨烯薄膜在较大拉伸下会出现断裂，该方法无法实现大应变的测量（>30%）。申请号：201611046781.3，专利技术名称：基于三维石墨烯/碳纳米管网络柔性多功能应变传感器的制备方法，公开日为2017年5月31日，公开了制备的传感器可以实现大应变与高灵敏的应变测量，由于其石墨烯泡沫是通过CVD法制备，该方法存在制作成本高，制作方法复杂等问题，且残留的金属泡沫模板会限制传感器的可拉伸性，传感器结构易出现破损。申请号：201621089507.X，专利技术名称：石墨烯分布式多物理量传感器阵列系统，公开日为2017年7月18日，公开了通过将石墨烯与聚合物相混合，制作出一种基于石墨烯聚合物的柔性应变传感器，该传感器具有较好的可拉伸性，制作成本较低，但由于石墨烯强π-π键的相互作用，石墨烯在与聚合物混合的过程中会产生团聚现象，这会降低传感器的灵敏度、可拉伸性、重复性与一致性，增加传感器的制作成本。申请号：201610835213.5，专利技术名称：三维石墨烯应变传感器的制备方法，公开日为2017年2月22日，公开了通过冷冻干燥法制备出基于三维石墨烯泡沫的应变传感器，具有灵敏度高、稳定性高的优点，但其存在三维石墨烯泡沫在制备过程中易破损，且冷冻干燥制作工艺复杂等问题。综上所述，已报道的基于石墨烯的柔性应变传感器存在如下缺点：（1）基于石墨烯薄膜的应变传感器无法实现大应变的测量的问题；（2）CVD法制备的石墨烯泡沫存在成本高，制备工艺复杂，金属模板易断裂等问题；（3）石墨烯的团聚现象限制了基于石墨烯与高分子聚合物混合传感器的灵敏度、可拉伸性、重复性与一致性，增加传感器的制作成本；（4）基于冷冻干燥法制备的传感器存在石墨烯泡沫易破损，制作工艺复杂等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种三维石墨烯泡沫柔性应变传感器，解决了现有技术中传感器无法实现大应变的测量的问题。本专利技术另一目的在于提供一种三维石墨烯泡沫柔性应变传感器的制备方法，解决了现有技术中CVD法制备的石墨烯泡沫存在成本高，制备工艺复杂，金属模板易断裂；基于冷冻干燥法制备的传感器存在石墨烯泡沫易破损，制作工艺复杂的问题。本专利技术所采用的技术方案是，三维石墨烯泡沫柔性应变传感器，包括三维石墨烯泡沫，三维石墨烯泡沫的两端涂覆有导电胶体，导电胶体上表面中心处设有电极，三维石墨烯泡沫和导电胶体的外围设置有固化后的高分子聚合物。进一步的，所述导电胶体的厚度为2mm。本专利技术所采用的另一种技术方案是，三维石墨烯泡沫柔性应变传感器的制备方法，具体按照以下步骤进行：步骤一、用去离子水、无水乙醇清洗聚合物泡沫模板，将聚合物泡沫模板真空浸入氧化石墨烯水溶液中，得到附着有氧化石墨烯的聚合物泡沫；步骤二、通过化学还原方法还原附着有氧化石墨烯的聚合物泡沫，将附着有氧化石墨烯的聚合物泡沫浸入还原试剂的水溶液中反应，得到三维石墨烯泡沫；步骤三、在三维石墨烯泡沫两端涂覆导电胶体，当涂覆的导电胶体的厚度为2mm时将三维石墨烯泡沫与电极导通；步骤四、将电极插入导电胶体的中心位置固化后完成传感器电极的制作，然后放入高温干燥箱内进行固化；步骤五、将未固化的高分子聚合物材料真空涂覆至渗入带有电极的三维石墨烯泡沫上；固化后三维石墨烯泡沫和导电胶体的外围设有固化后的高分子聚合物，得到三维石墨烯泡沫柔性应变传感器。进一步的，所述步骤一中氧化石墨烯的浓度为2mg/mL。进一步的，所述步骤一中聚合物泡沫模板为聚氨酯开孔型泡沫。进一步的，所述步骤二中还原试剂为抗坏血酸、氢碘酸或水合肼的任意一种。进一步的，所述步骤二中还原试剂为抗坏血酸，还原试剂水溶液为12mg/mL抗坏血酸水溶液，70-80℃反应12小时。进一步的，所述步骤三中导电胶体为导电银胶。进一步的，所述步骤四中在70-80℃下固化0.5小时。进一步的，所述步骤五中未固化的高分子聚合物材料为聚二甲基硅氧烷，是由预聚物乙烯基甲基聚硅氧烷与交联剂含氢聚硅氧烷组成，并通过硅氢加成反应交联固化2-3小时，制得固化比为10:1的聚二甲基硅氧烷。本专利技术的有益效果是，本专利技术基于聚合物模板制备了一种三维石墨烯泡沫柔性应变传感器，（1）该传感器基于三维石墨烯泡沫，实现较大应变的测量，具有较高的灵敏与可拉伸性；（2）碳纳米材料强π-π键的相互作用，碳纳米材料在制作的过程中会产生团聚现象，无法形成均匀的导电网络，不均匀的导电网络会提高碳纳米材料的渗透阈值、降低传感器的机械特性、重复性与一致性，增加传感器的制作成本，限制碳纳米材料柔性应变传感器性能的进一步提高，通过聚合物模板制作的三维石墨烯泡沫避免了石墨烯的团聚现象，传感器具有较高的一致性、重复性；（3）基于聚合物模板的三维石墨烯泡沫在制备过程中不会出现破损问题，采用聚合物泡沫模板，是由于聚合物泡沫模板能够给石墨烯泡沫网络提供支撑，制备工艺简单，成本较低。本专利技术基于聚合物模板的三维石墨烯泡沫柔性应变传感器具有实现高灵敏、大应变、高稳定性、高一致性、成本低、制作工艺简单的特点。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是三维石墨烯泡沫柔性应变传感器制备方法流程示意图。图2是三维石墨烯泡沫柔性应变传感器的结构示意图。图3是三维石墨烯泡沫柔性应变传感器的机理图。图中，1.三维石墨烯泡沫，2.导电胶体，3.电极，4.固化后的高分子聚合物。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术的思路是：石墨烯是一种由sp2杂化碳原子网状连接而成的二维材料，具有优异的力学、电学、光学、化学和磁学性能。将石墨烯附着在柔性聚合物模板上，制备出结构稳定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.三维石墨烯泡沫柔性应变传感器，其特征在于，包括三维石墨烯泡沫（1），三维石墨烯泡沫（1）的两端涂覆有导电胶体（2），导电胶体（2）上表面中心处设有电极（3），三维石墨烯泡沫（1）和导电胶体（2）的外围设置有固化后的高分子聚合物（4）。

【技术特征摘要】
1.三维石墨烯泡沫柔性应变传感器，其特征在于，包括三维石墨烯泡沫（1），三维石墨烯泡沫（1）的两端涂覆有导电胶体（2），导电胶体（2）上表面中心处设有电极（3），三维石墨烯泡沫（1）和导电胶体（2）的外围设置有固化后的高分子聚合物（4）。2.根据权利要求1所述的三维石墨烯泡沫柔性应变传感器，其特征在于，所述导电胶体（2）的厚度为2mm。3.如权利要求1-2所述的三维石墨烯泡沫柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：步骤一、用去离子水、无水乙醇清洗聚合物泡沫模板，将聚合物泡沫模板真空浸入氧化石墨烯水溶液中，得到附着有氧化石墨烯的聚合物泡沫；步骤二、通过化学还原方法还原附着有氧化石墨烯的聚合物泡沫，将附着有氧化石墨烯的聚合物泡沫浸入还原试剂的水溶液中反应，得到三维石墨烯泡沫（1）；步骤三、在三维石墨烯泡沫（1）两端涂覆导电胶体（2），当涂覆的导电胶体（2）的厚度为2mm时将三维石墨烯泡沫（1）与电极（3）导通；步骤四、将电极（3）插入导电胶体（2）的中心位置固化后完成传感器电极的制作，然后放入高温干燥箱内进行固化；步骤五、将未固化的高分子聚合物材料真空涂覆至渗入带有电极（3）的三维石墨烯泡沫（1）上；固化后三维石墨烯泡沫（1）和导电胶体（2）的外围设有固化后的高分子...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕晓洲，杨嘉怡，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61