KMS Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences
| 三维石墨烯基柔性压阻材料的设计、制备及传感性能研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 黄敬霞 | |
| Thesis Advisor | 王金清 |
| 2019-05-22 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Department | 固体润滑国家重点实验室 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 石墨烯 三维网络结构 复合 柔性压阻材料 传感应用 Graphene Three-dimensional network structures Composite Flexible piezoresistive materials Sensing application |
| Abstract | 三维石墨烯（3DG）孔状材料兼具石墨烯的优异特性和三维网络结构的双重优势，作为新型的柔性压阻材料在传感领域具有广阔的应用前景。然而，在构筑三维网络结构的过程中，由于片层间弱的键合作用（如π-π相互作用和范德华力）使得其网络结构易坍塌，影响传感器的使用寿命。另外，3DG任意分布的孔状结构导致其易发生塑性形变，从而具有低的传感线性度。此外，3DG的传感机制不完善，缺乏系统深入的理论体系。基于此，本论文围绕高性能3DG基复合材料的结构设计、性能表征及传感应用几个方面展开，主要研究内容与成果总结如下： （1）针对3DG网络结构不稳定的问题，结合溶剂热反应与真空浸泡-热固化工艺制备了一系列3DG-x/聚酰亚胺复合海绵（缩写为3DG-x/PI），研究了氧化石墨烯（GO）前驱体浓度对其形貌和性能的影响，并对其压阻传感性能及传感机制进行了探讨。结果发现，3DG-x/PI复合海绵具有相互连接的宏观孔网络结构，孔尺寸分布在十到上百微米之间，PI接枝在还原氧化石墨烯（rGO）片表面并未填充3DG-x的孔隙。而且，3DG-x/PI的密度和导电性能以及力学性能随GO浓度的增加呈现增大或变好趋势，其中3DG-15/PI具有最佳的导电性（3.7Scm-1）和结构稳定性（>300次循环加载）；同时，3DG-x/PI也展现出良好的压阻灵敏性和稳定的信号响应性，其电阻变化率与应变和密度密切相关，传感机制为几何结构形变引起的片层间接触电阻变化。 （2）针对3DG易发生塑性形变的问题，结合一步水热法和原位冷冻干燥技术制备了一系列3DG-聚乙烯醇（PVA）复合海绵（缩写为G-x），揭示了其反应机制，并对最优试样的压阻传感性能及应用进行了研究。结果发现，通过改变PVA与GO的比例可实现G-x形貌和性能的有效调控，其形貌随PVA含量的增加从无序宏观孔状结构向有序微孔结构，甚至完全无序的杂乱结构转变，力学性能先增加后降低，而压阻传感性能则呈直线下降趋势。而且，G-x形成过程中存在两种反应机理，即PVA与GO的交联作用和PVA的自交联作用。基于最优试样G-3组装的可穿戴微型传感器呈现出较高的灵敏系数（0.34kPa-1）、宽的应变线性检测范围（27%）、极低的应变检出限（0.5%）、快速的响应性（63.9ms），以及稳定的可靠性（>5000次循环加载），并初步实现了对人体不同关节运动的实时检测。 （3）通过界面聚合与水热自组装两步法制备了一种新型网络结构的3DG-聚苯胺（PANI）海绵压阻材料（缩写为rGPS-x），探讨了界面聚合产物对复合海绵形貌和性能的影响，并对其导电机理、传感机理以及传感应用进行了研究。结果发现，随着界面聚合产物含量的升高，复合海绵结构有序度变差、孔尺寸减小、结构脆性增加。最优试样rGPS-1呈现出有序的网络结构、高的电导率（3.54Sm-1）、良好的结构稳定性（>100加载循环），以及优异的传感性能，包括高的灵敏系数（0.77kPa-1）、宽的应力检测范围（~10.22kPa）、低的应力检出限（36.4Pa）、可靠的稳定性（>3000个加载循环），和快速的响应性（50ms）。基于rGPS-1组装的微型传感器可用于手腕动脉脉搏跳动和人体不同关节运动的信号检测。 （4）针对3DG网络结构的无序性和传感机制的不完善，基于GO与聚乙烯吡咯烷酮（PVP）混合溶液体系，结合水热反应与热处理过程制备了一系列氮掺杂石墨烯海绵（NGS-x）材料，系统研究了实验条件（交联剂、PVP用量和热处理）对其形貌和性能的影响，并对其压阻传感性能与传感机理及应用进行了探讨。结果发现，混合体系中交联剂的使用和PVP浓度的增加有助于获得长程有序结构的NGS；高温热处理碳化PVP使获得的NGS具有良好的导电性、超轻的密度和超高的柔弹性。最优试样NGS-3展现了极高的灵敏系数（1.33kPa-1）、低的应变检出限（2%）、较高的应变线性度（~20%）、稳定的信号响应性（>3000次），以及快速的响应时间（72.4ms），其中灵敏系数显著优于大多数石墨烯气凝胶的报道值（<0.26kPa-1）。基于NGS-3组装的应力传感器可以成功探测到手指弯曲运动和脉搏跳动的信号，其传感机制为几何结构形变和晶格空位、吡啶氮、吡咯氮等隧道障碍物引起的石墨烯片层间接触电阻和石墨烯片电阻的变化。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/25295 |
| Collection | 中国科学院兰州化学物理研究所 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 黄敬霞. 三维石墨烯基柔性压阻材料的设计、制备及传感性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2019. |
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