[發明專利]石墨烯/碳納米管網絡柔性多功能應變傳感器的制備方法

有效

• 申請號: 201611046781.3
• 申請日: 2016-11-23
• 公開（公告）號: CN106767374B
• 公開（公告）日: 2019-11-08
• 發明（設計）人: 董曉臣;蔡依晨;黃維
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: G01B7/16
• 分類號: G01B7/16
• 代理公司: 北京思創大成知識產權代理有限公司 11614
• 代理人: 尹慧晶

本發明公開了一種基于三維石墨烯/碳納米管網絡柔性多功能應變傳感器的制備方法，該方法通過兩步化學氣相沉積法生長三維石墨烯和一維碳納米管的三維網絡，并將該三維網絡與作為柔性基底的彈性聚合物進行固化結合，得到基于石墨烯和碳納米管三維網絡的柔性可穿戴式多功能電子應變傳感器。本發明電子應變傳感器打破了應變傳感器拉伸性和靈敏性之間的限制關系，具有優異的電子應變傳感性能，微型加熱器的功能，實現對人體生理信號和物理活動的高靈敏性檢測，展現優異的電子皮膚模擬能力、微加熱源應用性能。本發明工藝簡單、可廣泛應用于臨床診斷、健康監控、機器人、電子屏幕、電子皮膚、柔性微加熱器和智能家居等眾多領域。

技術領域：

本發明涉及一種基于三維石墨烯/碳納米管三維網絡材料的可穿戴柔性多功能電子應變傳感器的制備方法，所得到的電子應變傳感器可以應用于人體生理信號、物理活動的檢測和微加熱源，其在臨床診斷、健康監控、機器人、電子屏幕、電子皮膚、柔性微加熱源和智能家居等眾多領域具有廣泛的實際應用價值。

背景技術：

隨著科技和醫療水平的快速發展，人體疾病的臨床診斷與評估、健康監控、虛擬電子、柔性觸摸屏、人機互動及工業機器人等領域對電子應變傳感技術提出了新的挑戰。傳統的應變傳感器主要是基于金屬和半導體材料，其具有一定的靈敏性，但缺點是材料堅硬，同時材料本身不具備透明性和粘彈性，拉伸性和靈敏性較低，甚至需要嵌入皮膚才能準確測量人體健康和生理信號，限制了電子應變傳感器的應用范圍。與傳統的電子應變傳感器相比，柔性多功能應變傳感器克服了材料堅硬的缺點，具有超薄、超輕、柔韌、拉伸性、靈敏性和可穿戴性等特點，同時表現出較好的生物相容性和連續檢測優勢。在柔性多功能應變傳感器中，活性材料和柔性基底是決定傳感器性能的關鍵。目前報道的柔性多功能應變傳感器常用的活性材料包括：納米粒子、納米線、碳納米管、石墨烯和有機材料等，其中基于有機材料的柔性多功能應變傳感器的發展最為迅速，其制備工藝簡單，柔韌性較好，但其適用范圍和響應時間有一定的局限性。

在常用的活性材料中，一維纖維材料制備的應變傳感器具有較高的拉伸性，較大的檢測范圍，優異的耐受性和穩定性，但其不適于微小形變檢測，靈敏度低，應變系數小。二維片狀材料制備的應變傳感器具有較高的靈敏度，較大的應變系數，較小的反應時間，但是其拉伸性較差，不適用于大形變檢測，穩定性和耐受性較弱。

三維石墨烯和一維碳納米管以獨特的原子層結構和突出的電學、熱學和機械性能在光電器件、能源儲存、催化等方面呈現出廣闊的應用前景，尤其在電子應變傳感領域存在著巨大的潛在應用價值。然而，單純片狀石墨烯制備應變傳感器的操作條件苛刻，傳感器穩定性不好，檢測范圍較小，而且片狀石墨烯在實際環境中機械性不好，導致其不能有效的在實際應用中發揮作用。

采用兩步化學氣相沉積合成的石墨烯/碳納米管三維網絡，具有重復性和穩定性好、傳感器檢測范圍、耐受性和電學性能優異等特點，可以有效提高傳感器性能和實際應用范圍。

發明內容：

本發明提供了一種基于石墨烯/碳納米管三維網絡的可穿戴柔性多功能的電子應變傳感器制備方法，該方法有效提高了電子應變傳感器的性能和實際應用領域。

本發明的技術方案是通過以下方式實現的：

一種基于三維石墨烯和碳納米管三維網絡柔性可穿戴多功能電子應變傳感器的制備方法，通過兩步化學氣相沉積法生長三維石墨烯和一維碳納米管的三維網絡，并將該三維網絡與作為柔性基底的彈性聚合物進行固化結合，得到基于石墨烯和碳納米管三維網絡的柔性多功能電子應變傳感器。所述的彈性聚合物優選為共聚酯、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯醇、聚氨酯分散體、聚吡咯中的一種或多種。

本發明具體技術方案：

一種基于三維石墨烯/碳納米管網絡柔性多功能應變傳感器的制備方法，具體步驟如下：

(1)在以泡沫鎳為襯底，化學氣相沉積合成自支撐三維石墨烯，再通過水熱或熱蒸發的方法將金屬納米粒子催化劑沉積在自支撐三維石墨烯表面，得到三維石墨烯與金屬納米顆粒復合材料；