随着科技的进步与发展，柔性应变传感器作为一种柔性、可伸缩的电子设备，引起了社会各领域的极大关注。近日，高分子科学与工程学院观姗姗副教授在复合材料领域期刊Composites Part A: Applied Science and Manufacturing上报道了一种通过绿色环保、可工业化的方式制备的rGO/PDMS柔性导电复合材料，并将其应用于传感领域。本工作通过乳液共混的方式制备了具有3D导电网络结构的PDMS基复合材料(图1)。结果表明，rGO/PDMS复合材料具有优异的柔韧性以及良好的机械性能。此外，得益于PDMS胶乳颗粒的体积排除效应，rGO被选择性的挤压到胶乳球缝隙当中，形成了具有超低rGO含量(0.44 vol%)的3D导电网络(图2)。
图1. rGO/PDMS薄膜的断面(a-b) SEM图和(c-d) TEM图;(e) GO悬浮液、(f)阴离子羟基硅油乳液、(g) GO/PDMS混合物和(h) GO/PDMS薄膜的光学显微镜照片。
图2. (a) rGO/PDMS薄膜在拉伸应变为0%、100%、200%和负载200g重量下的数码照片;(b) PDMS和rGO/PDMS薄膜的应力-应变曲线;(c) rGO/PDMS薄膜的电导率与rGO负载的关系曲线;(d)电导率与ρ-ρc的对数图。
随后，本工作对rGO/PDMS复合材料的传感应用进行了相关研究。PDMS胶乳颗粒类似于“弹性气球”，有助于在外部刺激下实现导电网络的破坏与重建。该应变传感器具有优异的灵敏度(44.01)、较宽的应变范围(0-300%)和良好的稳定性(2500次循环) (图3)。此外，本研究还利用rGO的热阻效应，实现了传感器对于温度的检测。基于以上优异特性，该传感器可以检测人的手指运动、面部肌肉、语音识别、生理信号以及人体的温度变化等(图4)。
图3. (a) rGO/PDMS应变传感器的相对电阻变化与不同线性区域内施加的应变和GF的关系;(b) rGO/PDMS应变传感器在拉伸过程中填料网络的变化示意图;(c) rGO/PDMS传感器的传感性能与文献中报道的柔性应变传感器的比较;(d) rGO/PDMS传感器分别在10%、30%、60%和120%的应变下重复拉伸时相对电阻变化;(e) rGO/PDMS传感器分别在0.025Hz、0.05Hz、0.1Hz和0.2Hz频率下重复30%应变拉伸时的相对电阻变化;(f)快速加载与卸载时相对电阻变化的响应时间;(g) 30%应变下重复加载和卸载时的相对电阻变化。
图4. (a)人体运动检测示意图;(b-c)组装在手指关节和脸颊上的传感器的光学图片和相应信号;(d)连续监测的脉搏信号、附在手腕上的传感器的光学图片(左侧插图)和单个脉搏信号(右侧插图);(e-f)传感器固定在喉咙上，监测志愿者吞咽或说“Hello”和“Graphene”时的相对电阻变化;(g)接近热源期间的电流变化;(h)接近热源时人手背的红外热像图;(i)热源撤离后的电流变化;(j)热源撤离后人手背的红外热像图。
更多信息请参见以“PDMS-based conductive elastomeric composite with 3D reduced graphene oxide conductive network for flexible strain sensor”为题发表在复合材料领域期刊Composites Part A: Applied Science and Manufacturing上的科研论文(DOI:10.1016/j.compositesa.2022.107113)。本文第一作者为青岛科技大学高分子科学与工程学院硕士研究生王心成，通讯作者为青岛科技大学高分子科学与工程学院观姗姗副教授。此研究工作得到国家自然科学基金(51903133)、山东省重点研发计划项目(2019GGX103030)的支持。
