本發(fā)明涉及應(yīng)變傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種三維石墨烯應(yīng)變傳感器的制備方法。

背景技術(shù)：

應(yīng)變式傳感器是基于測量物體受力變形所產(chǎn)生的應(yīng)變的一種傳感器。電阻應(yīng)變片則是其最常采用的傳感元件，是一種能將機械構(gòu)件上應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感元件。應(yīng)變傳感器在電子皮膚、機器人、柔性電子、智能生活、運動檢測、健康管理等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。

中國專利公開號103076031A公開了一種柔性可拉伸應(yīng)變式傳感器的制備方法，具體包括制備柔性接收集襯底、靜電紡絲溶液的配制與注入紡絲針管、靜電紡絲法制備扭曲結(jié)構(gòu)的微納米纖維和傳感器的性能測試四個步驟：將一塊具有彈性的高分子材料基片固定在玻璃片上，然后放置在接電源負(fù)極的鋁箔上；配制摻加二甲基亞砜(DMSO)的聚3,4-乙撐二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸(PEDOT/PSS)的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)乙醇溶液作為紡絲溶液并將其注入紡絲針管；選用紡絲噴頭往復(fù)直線運動式靜電紡絲裝置制備扭曲結(jié)構(gòu)的微納米纖維；對制備的傳感器進行性能測試；其制備方法簡單，原理可靠，制備成本低，產(chǎn)品性能好，操作簡便，產(chǎn)率高，環(huán)境友好。但是，目前應(yīng)變傳感器主要通過傳統(tǒng)的導(dǎo)電填料和聚合物彈性體進行共混等方式進行制備，成本高，靈敏度低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種三維石墨烯應(yīng)變傳感器的制備方法，該制備方法解決了應(yīng)變傳感器靈敏度低的問題。

為達此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種三維石墨烯應(yīng)變傳感器的制備方法，包括如下步驟：

(1)將氧化石墨烯與還原劑反應(yīng)，制得還原氧化石墨烯水凝膠；

(2)所述還原氧化石墨烯水凝膠經(jīng)過冷凍、干燥，得到石墨烯氣凝膠；

(3)將所述石墨烯氣凝膠與彈性體聚合物進行復(fù)合，制得三維石墨烯應(yīng)變傳感器。

其中，所述步驟(1)中還原劑與氧化石墨烯的質(zhì)量比為0.5～20:1，例如可以為0.5:1、1:1、3:1、6:1、10:1、15:1或20:1等，優(yōu)選2～10:1，進一步優(yōu)選5:1。

其中，所述步驟(1)中還原劑選自水合肼、碘化氫、維生素C、硫化銨、茶多酚或乙二胺中一種或至少兩種的混合物，優(yōu)選乙二胺。

其中，所述步驟(1)中反應(yīng)在水溶液中進行；氧化石墨烯水溶液的濃度可以為0.1mg/mL、0.3mg/mL、0.5mg/mL、0.8mg/mL、1mg/mL、1.5mg/mL、2mg/mL、3mg/mL、5mg/mL、8mg/mL或10mg/mL等；

優(yōu)選地，反應(yīng)溫度為50～100℃，例如可以為50℃、60℃、70℃、80℃、90℃或100℃等，優(yōu)選60～70℃，進一步優(yōu)選60℃；

優(yōu)選地，所述反應(yīng)時間為0.5～24h，例如可以為0.5h、1h、3h、5h、8h或10h等，優(yōu)選2～10h，優(yōu)選5h。

其中，所述步驟(2)中冷凍溫度為-80～-20℃，例如可以為-80℃、-70℃、-60℃、-50℃、-40℃、-30℃或-20℃等，優(yōu)選-40～-20℃，進一步優(yōu)選-20℃。

其中，所述步驟(2)中彈性體聚合物選自為苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚氨酯或PDMS中的一種或至少兩種的混合物，優(yōu)選PDMS。

其中，所述步驟(3)中原位聚合過程為：將所述三維石墨烯氣凝膠用導(dǎo)電銀漿和銅導(dǎo)線連接，通過真空輔助灌入彈性聚合物和固化劑進行固化。

其中，所述彈性聚合物和固化劑的質(zhì)量比為1:3～8，例如可以為1:3、1:4、1:5、1:6或1:8等，優(yōu)選1:4～6，進一步優(yōu)選1:5。

其中，所述固化溫度為75～85℃，例如可以為75℃、78℃、80℃、82℃、84℃或85℃等，優(yōu)選76～82℃，進一步優(yōu)選80℃；

優(yōu)選地，所述固化時間為0.5～5h，例如可以為0.5h，1h、1.5h、2h、3h、4h或5h等，優(yōu)選2～4h，進一步優(yōu)選3h。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明的氧化石墨烯與還原劑在溫和的條件下進行反應(yīng)，經(jīng)過簡單的冷凍干燥后得到三維石墨烯氣凝膠，通過在三維石墨烯氣凝膠中灌注聚合物彈性體可以得到高靈敏度、高穩(wěn)定性的應(yīng)變傳感器；同時，該制備方法步驟簡單，原料成本較低。

附圖說明

圖1為實施例1制得的三維石墨烯氣凝膠的掃描電子顯微鏡圖；

圖2為實施例1制得的三維石墨烯傳感器的I/V曲線測試；

圖3為實施例1制得的三維石墨烯傳感器的應(yīng)變-電阻變化曲線；

圖4為實施例1制得的三維石墨烯傳感器的應(yīng)變-電阻變化循環(huán)曲線；

圖5為實施例1制得的三維石墨烯傳感器對手腕彎曲的檢測。

具體實施方式

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做詳細(xì)的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似改進，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施的限制。

實施例1

取20ml濃度為1mg/ml的氧化石墨烯水溶液與1ml濃度為200mg/mL的硫化銨水溶液在密閉的條件下在60℃下反應(yīng)5h，制得還原氧化石墨烯水凝膠，將得到的還原氧化石墨烯水凝膠進行清洗，在-20℃的冰箱中進行冷凍結(jié)冰，放入冷凍干燥機中進行冷凍干燥，經(jīng)過24h后，即可得到三維石墨烯氣凝膠；

將上述三維石墨烯氣凝膠用導(dǎo)電銀漿與銅導(dǎo)線進行連接，向其中灌入PDMS預(yù)聚物和固化劑，預(yù)聚物和固化劑的質(zhì)量比為1:5，經(jīng)過真空輔助灌封后在80℃下進行固化，固化時間為3h，最終，即可得到三維石墨烯應(yīng)變傳感器。

實施例2

取20ml濃度為0.5mg/ml的氧化石墨烯水溶液與1ml濃度為160mg/mL的硫化銨水溶液在密閉的條件下在50℃下反應(yīng)6h，制得還原氧化石墨烯水凝膠，將得到的還原氧化石墨烯水凝膠進行清洗，在-30℃的冰箱中進行冷凍結(jié)冰，放入冷凍干燥機中進行冷凍干燥，經(jīng)過20h后，即可得到三維石墨烯氣凝膠；

將上述三維石墨烯氣凝膠通過導(dǎo)電銀漿與銅導(dǎo)線進行連接，向其中灌入PDMS預(yù)聚物和固化劑，預(yù)聚物和固化劑的質(zhì)量比為1:4，經(jīng)過真空輔助灌封后在80℃下進行固化，固化時間為3h，最終，即可得到三維石墨烯應(yīng)變傳感器。

實施例3

取30ml濃度為2mg/ml的氧化石墨烯水溶液與2ml濃度為250mg/mL的硫化銨水溶液在密閉的條件下在60℃下反應(yīng)5h，制得還原氧化石墨烯水凝膠，將得到的還原氧化石墨烯水凝膠進行清洗，在-20℃的冰箱中進行冷凍結(jié)冰，放入冷凍干燥機中進行冷凍干燥，經(jīng)過24h后，即可得到三維石墨烯氣凝膠；

將上述三維石墨烯氣凝膠用導(dǎo)電銀漿與銅導(dǎo)線進行連接，向其中灌入PDMS預(yù)聚物和固化劑，預(yù)聚物和固化劑的質(zhì)量比為1:6，經(jīng)過真空輔助灌封后在80℃下進行固化，固化時間為3h，最終，即可得到三維石墨烯應(yīng)變傳感器。

性能測試：

1、對實施例1制得的制得的三維石墨烯氣凝膠進行掃描電子顯微鏡觀察，結(jié)果如圖1所示，從圖中可以看出所制備的三維石墨烯氣凝膠具有三維連續(xù)多孔的結(jié)構(gòu)，實施例2～3與之類似；

2、對實施例1制得的三維石墨烯傳感器進行I/V曲線分析，得到圖2，如圖2所示，從圖中可以看到三維石墨烯傳感器的I/V曲線表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，實施例2～3與之類似；

3、對實施例1制得的三維石墨烯傳感器進行拉伸過程中電阻變化測試，得到圖3，從圖中可以看出實施例1制得的制備三維石墨烯傳感器在拉伸過程中表現(xiàn)出顯著的電阻變化，實施例2～3與之類似；

4、對實施例1制得的三維石墨烯傳感器進行拉伸過程穩(wěn)定性測試，得到圖4，從中可以看到其具有優(yōu)異多次循環(huán)穩(wěn)定性，實施例2～3與之類似；

5、對實施例1制得的三維石墨烯傳感器進行手腕彎曲測試，得到圖5，從中可以看到其具有優(yōu)異的生物信號傳感性能；實施例2～3與之類似。

申請人聲明，本發(fā)明通過上述實施例來說明本發(fā)明的詳細(xì)結(jié)構(gòu)特征以及施工方法，但本發(fā)明并不局限于上述詳細(xì)結(jié)構(gòu)特征以及施工方法，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述詳細(xì)結(jié)構(gòu)特征以及施工方法才能實施。所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，對本發(fā)明的任何改進，對本發(fā)明所選用部件的等效替換以及輔助部件的增加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護范圍和公開范圍之內(nèi)。