摘要

為了透過減弱抗壓強度同時保持彈性來提高石墨烯氣凝膠基壓阻感測器的靈敏度，

北京化工大學李曉鋒副教授/於中振教授團隊

透過雙向冷凍氧化石墨烯的水懸浮液，製備具有高彈性和令人滿意的電導網路的輕質層狀石墨烯氣凝膠（LGA）。少量有機溶劑的存在，然後進行凍乾和熱退火。

由於 LGA 的層狀結構，其沿垂直於層狀表面的方向的壓縮強度遠低於具有相似表觀密度的各向同性和單向排列的石墨烯氣凝膠的壓縮強度，從而導致基於 LGA 的超靈敏壓阻感測器具有高-3.69 kPa-1 的靈敏度和 0.15 Pa 的低檢測限。

基於 LGA 的壓阻感測器的超高靈敏度和低檢測限有助於檢測室溫和液氮中的細微壓力，並具有檢測動態力頻率和聲音的能力振動。此外，由於石墨烯薄片之間的連線點較少，LGAs 切片可以整合為一個寬範圍且靈敏的彎曲感測器，可以檢測從 0°到 180°的任意彎曲角度，檢測限低至 0。29°，並且有效檢測手腕脈搏和手指彎曲的生物訊號。相關論文以題為

發表在《

Advanced Functional Materials

》上。

圖解

透過定向冷凍和凍幹形成 LGA

圖1 透過在水、乙醇或 THF 存在下雙向冷凍 GO 懸浮液，然後冷凍乾燥和熱退火來製造 LGA 的示意圖。

圖2

a–c） IGA、e–g） DGA 和 i–k） LGA 的 SEM 影象。第一、第二和第三列中的 SEM 影象分別顯示了石墨烯氣凝膠沿 X、Y 和 Z 方向的形態。d） IGA、h） DGA 和 l） LGA 的直觀結構。m） 垂直於 Z 方向的 LGA 整體腔 I 的 SEM 影象。

IGA、DGA 和 LGA 的壓縮效能

圖3

a） LGA、b） DGA 和 c） IGA 沿 Y 軸的迴圈壓縮應力-應變曲線。d） 乙醇輔助石墨烯氣凝膠在 50% 壓縮應變下的迴圈壓縮強度。e） LGA 的儲能模量、損耗模量和阻尼比（1% 的振盪應變）沿 Y 軸的溫度依賴性。f） THF-IGA 的迴圈壓縮應力-應變曲線。g） LGA 和 h） THF-LGA 和 i） 它們的分佈的層狀石墨烯孔壁的彈性模量對映。j） 乙醇輔助和 THF 輔助的 GO 冰塊沿 Y 軸透過雙向冷凍方法冷凍的壓縮應力-應變曲線。k） 被相鄰冰晶排除和擠壓的 GO 片的圖示。

LGA、DGA 和 IGA 壓力感測器的壓阻效能

圖4

電阻變化圖作為 a） 壓縮應變和 b） IGA、DGA 和 LGA 的壓縮應力的函式。c） LGA、d） DGA 和 e） IGA 的 SR 值。f） SR 值與報道的其他基於全碳氣凝膠的壓阻感測器的比較。g） LGA 在 50% 壓縮應變和 1 Hz 頻率下的電阻變化。

基於LGA的彎曲感測器的彎曲效能

圖5

a，b） 數碼照片顯示 LGA 可以沿 X-Z 平面輕鬆切割，而不會損壞 LGA 的其餘部分。c） 彎曲感測器工作過程示意圖。d） 用於測量彎曲角度的彎曲感測器的數碼照片。基於 LGA 的彎曲感測器的 e） 行程響應和 f） 電阻變化與彎曲角度的關係圖。g） 具有微小行程的彎曲感測器的電阻。h） 彎曲角度為 90°和頻率為 1 Hz 時 LGA 彎曲感測器的迴圈電阻變化。

基於 LGA 的壓力和彎曲感測器的應用

圖6

基於 LGA 的壓力感測器在 a） 室溫下和 b） 在液氮中承受細微壓力時的電阻變化。c）基於LGA的壓力感測器在液氮中經受大變形的電阻變化。d） 基於 LGA 的壓力感測器的電阻變化，距離手大於 50 釐米，用於檢測拍手。基於 LGA 的壓力感測器的電阻變化，用於檢測 e） 頻率高達 2000 Hz 的動態力，以及 f） 從商用藍芽揚聲器發出的一段 880 Hz 正弦聲音振動。用於檢測 g） 人類手腕脈搏和 h） 人類手指彎曲的基於 LGA 的彎曲感測器的電阻變化。

總結

透過乙醇輔助雙向冷凍 GO 的水懸浮液，然後冷凍乾燥和熱退火來製造的，以實現有效的壓力和彎曲感測。在雙向冷凍過程中，乙醇不僅促進層狀結構的形成，而且削弱了 LGA 的支柱。

由於乙醇的重要作用，與具有其他孔結構的乙醇輔助氣凝膠和具有其他溶劑輔助的層狀氣凝膠相比，LGA 具有低得多的壓縮強度。LGA 的低抗壓強度導致其-3.69 kPa-1 的高靈敏度和 0.15 Pa 的低檢測限

。由於特殊的層狀結構，LGA 可以很容易地切成薄片作為彎曲感測器。基於 LGA 的彎曲感測器可以檢測 0°–180°的寬彎曲角度範圍，檢測限為 0。29°。基於 LGA 的壓力感測器展示了其在檢測細微壓力、高頻振動、發聲和極冷環境下的適用性方面的潛在應用，而基於 LGA 的彎曲感測器在檢測人體生物訊號方面非常高效。

參考文獻：

doi。org/10。1002/adfm。202103703