北化：双向冷冻层状石墨烯气凝胶，用于超灵敏压力和弯曲传感器

成果简介

本文，北京化工大学 李晓锋副教授 / 于中振教授 团队在《Adv. Funct. Mater》期刊发表名为“Rational Design of Soft Yet Elastic Lamellar Graphene Aerogels via Bidirectional Freezing for Ultrasensitive Pressure and Bending Sensors”的论文，研究为了通过削弱压缩强度同时保持弹性来提高基于石墨烯气凝胶的压阻传感器的灵敏度，采用乙醇辅助双向冷冻方法然后进行冻干和热退火制造轻质和 LGA。

由于石墨烯薄片之间的连接点较少，沿垂直于其石墨烯薄片方向的 LGA 的压缩强度急剧下降，实现对压缩应变的超灵敏电阻响应，因此具有超高的S R价值。有趣的是，与有利于石墨烯气凝胶层状结构形成的四氢呋喃 (THF) 有机溶剂相比，乙醇的使用可以通过削弱气凝胶支柱进一步降低 LGA 的抗压强度，从而导致更高的S R. 因此，基于LGA的压阻传感器具有高灵敏度、低检测限和高频压力检测能力，适用于检测室温和液氮中的微小压力。此外，弯曲传感器可以通过使用 LGA 切片来制造。基于LGA的弯曲传感器的检测极限可以达到0.29°。基于 LGA 的弯曲传感器的这种超灵敏特性实现了其在检测手腕脉搏和人体运动方面的应用。

图文导读

图1、过在水、乙醇或 THF 存在下双向冷冻 GO 悬浮液，然后冷冻干燥和热退火来制造 LGA 的示意图

图2、a–c) IGA、e–g) DGA 和 i–k) LGA 的 SEM 图像。第一、第二和第三列中的 SEM 图像分别显示了石墨烯气凝胶沿 X、Y 和 Z 方向的形态。d) IGA、h) DGA 和 l) LGA 的直观结构。m) 垂直于 Z 方向的 LGA 整体腔 I 的 SEM 图像。

图3、a) LGA、b) DGA 和 c) IGA 沿 Y 轴的循环压缩应力-应变曲线。

d) 乙醇辅助石墨烯气凝胶在 50% 压缩应变下的循环压缩强度。

e) LGA 的储能模量、损耗模量和阻尼比（1% 的振荡应变）沿Y轴的温度依赖性。

f) THF-IGA 的循环压缩应力-应变曲线。

g) LGA 和 h) THF-LGA 和 i) 它们的分布的层状石墨烯孔壁的弹性模量映射。

j) 乙醇辅助和 THF 辅助的 GO 冰块沿Y轴通过双向冷冻方法冷冻的压缩应力-应变曲线。

k) 被相邻冰晶排除和挤压的 GO 片的图示。

图4.电阻变化图作为 a) 压缩应变和 b) IGA、DGA 和 LGA 的压缩应力的函数。c) LGA、d) DGA 和 e) IGA 的S R值。f) S R值与其他报道的基于全碳气凝胶的压阻传感器的比较。g) LGA 在 50% 压缩应变和 1 Hz 频率下的电阻变化。

图5、a,b) 数码照片显示 LGA 可以很容易地沿 XZ 平面切割，而不会损坏 LGA 的其余部分。

c) 弯曲传感器工作过程示意图。

d) 用于测量弯曲角度的弯曲传感器的数码照片。

e) 基于 LGA 的弯曲传感器的行程响应和 f) 电阻变化与弯曲角度的关系图。

g) 具有微小行程的弯曲传感器的电阻。

h) 弯曲角度为 90° 和频率为 1 Hz 时 LGA 弯曲传感器的循环电阻变化。

图6、基于 LGA 的压力传感器的电阻变化。

c）基于LGA的压力传感器在液氮中经受大变形的电阻变化。

d) 基于 LGA 的压力传感器的电阻变化，拍手时检测。

e) 基于 LGA 的压力传感器的电阻变化，用于检测频率高达 2000 Hz 的动态力，

f) 从商用蓝牙扬声器发出的一段 880 Hz 正弦声音振动。

g) h) 用于检测手腕脉搏和手指弯曲的基于LGA 的弯曲传感器的电阻变化。

小结

是通过乙醇辅助双向冷冻 GO 的水悬浮液，然后冷冻干燥和热退火来制备具有低抗压强度的轻质 LGA ，以实现有效的压力和弯曲传感。基于 LGA 的压力传感器展示了其在检测细微压力、高频振动、发声和极冷环境下的适用性方面的潜在应用，而基于 LGA 的弯曲传感器在检测人体生物信号方面非常高效。

文献：

https://doi.org/10.1002/adfm.202103703