石墨烯是一種新型的二維蜂窩狀碳納米材料，由碳原子按照六邊形進行分布。碳碳原子之間以SP2雜化方式結合在一起，形成了非常穩定的結構，是迄今為止發現的最堅硬的材料之一。石墨烯具有較大的比表面積，易于制備，且具有極好的力學性能和超強的導熱、導電性能，表現出更高的規范因子，作為一種具有獨特結構和優異性能的新型材料，受到了國內外科研工作者的廣泛關注和研究。石墨烯是一種新型的二維蜂窩狀碳納米材料，由碳原子按照六邊形進行分布。碳碳原子之間以SP2雜化方式結合在一起，形成了非常穩定的結構，是迄今為止發現的最堅硬的材料之一。石墨烯具有較大的比表面積，易于制備，且具有極好的力學性能和超強的導熱、導電性能，表現出更高的規范因子，作為一種具有獨特結構和優異性能的新型材料，受到了國內外科研工作者的廣泛關注和研究。

石墨烯完整穩定的六元環結構使其具有一定的化學惰性及疏水性，表面極大的范德華力使其容易發生團聚。而石墨烯的優異性能只能在單片層基礎上實現，團聚不僅限制了其優異性能，而且與聚合物的相容性差，分散不均勻，在一定程度上限制了石墨烯及其復合材料進一步研究與發展。科學家們為克服石墨烯團聚做了大量研究，使石墨烯在基體中均勻分散，形成具有優良性能的石墨烯增強復合材料，功能化是解決這些問題的一個有效途徑。石墨烯的功能化不僅改善了其分散性，還賦予了其新的特性，進一步擴大了它的應用范圍，使基于石墨烯材料的傳感器件真正進入實用化領域。

傳感器分為柔性傳感器和非柔性傳感器，非柔性傳感器應用很廣泛，但是存在很多弊端和局限性，這類傳感器的主要傳感材料是金屬材料和半導體材料，難以應用于各種不規則的表面，阻礙了其更多的可用性。因此，用較低的成本制造更為輕便、柔韌性更好、機械性能更好的柔性傳感器是大勢所趨。

石墨烯在柔性傳感器領域的應用

一、柔性應變傳感器

近年來，從電子皮膚到全身健康監測系統的多種應用，柔韌可伸縮、可穿戴的各種傳感器引起了人 們的廣泛關注，特別是具有大延展性、寬傳感范圍和高靈敏度的柔性應變傳感器對人體運動的全范 圍檢測是理想的。獨特的單原子結構使石墨烯片易于在垂直于其表面的方向上變形，并提供良好的靈活性。基于石墨烯的柔性應變傳感器已得到了廣泛的探索和利用。

有人開發了一種基于石墨烯涂層的彈簧網狀微結構多功能皮膚狀應變傳感器，可監測壓力、拉伸、振動和彎曲變形。將rGO片附著在彈性織物上，形成彈簧狀導電網狀網絡，兩片導電織物面對面封裝，在織物邊緣以連接銅箔作為電極，構成柔性應變傳感器。該傳感器表現出72kPa－1的高靈敏度，1.38Pa的低檢測限，以及較大的感應范圍，并且可檢測到的最小拉伸應變為0.1％，振幅為10μm。該應變傳感器可檢測從微小生理信號到大規模身體活動。

有人利用rGO制備了一 種具有魚鱗狀石墨烯傳感層的高性能可拉伸柔性應變傳感器，如下圖。研究發現這種魚鱗狀結構為傳感器提供了更寬的傳感范圍（82％應變）、高靈敏度（GF＝16.2）、 超低檢測限（＜0.1％應變）和優異穩定性（＞5000次的循環）。該傳感器制作過程簡單、廉價、節能，具有良好的組合性能，可用于檢測全范圍的人體運動，具有廣闊的應用前景。

（基于氧化石墨烯的魚鱗狀柔性應變傳感器）

柔性應變傳感器因其卓越的觸覺感應能力被用于各種場景，柔性可伸縮的傳感設備具有很大應用前景。由于其固有的柔韌性，石墨烯的電性能不會受到機械應力的損害。因此，石墨烯被認為是高度可拉伸和柔性傳感器的理想材料。

二、柔性氣敏傳感器

石墨烯是具有潛力的氣體傳感器材料，由于石墨烯的比表面積極大，單個石墨烯薄膜中的所有原子都可以吸附氣體分子，從而形成更大的氣體檢測傳感器區域。很多基于石墨烯材料的氣體傳感器已經得到了廣泛研究及應用。有人對石墨烯、織物氣體傳感器進行研究，制備了由rGO納米片和靜電紡錦綸6納米纖維組成的柔性NO2氣體傳感器。研究表明，通過將rGO與納米纖維結合，石墨烯電子織物在室溫下對 NO2表現出靈敏的反應。并且NO2濃度越高，氣體傳感器的響應越 大。同時，RGO涂層納米纖維網織物（RGPNMF）傳感器還受濕度的影響，當相對濕度為80％時，傳感器對NO2的靈敏度是相對濕度為45％時的2倍，認為80％的相對濕度為檢測NO2氣體提供了最佳條件。另外，在室溫下研究對各種氣體的響應特性，發現RGPNMF對 NO2具有良好的選擇性，對NO2（13.6%）的響應是其他氣體（甲醛、 丙酮、苯和氨）的10倍以上，如下圖所示。這表明基于石墨烯、織物復合材料的柔性氣體傳感器為實時監測有害氣體提供了巨大潛力。

（80%相對濕度下NO2氣體傳感器的氣敏性能）

（傳感器對各氣體的響應）

石墨烯的巨大表面積使其對周圍環境非常敏感，甚至可檢測到單個氣體分子的吸附和釋放。基于石墨烯的柔性氣體傳感器將氣敏薄膜材料置于電極表面，基材也是柔性的，具有質量輕、可塑性強、易彎曲等特性，可以大面積制備。這很好地滿足了氣體傳感器在特殊 環境中的便攜性、低消耗等要求。

三、柔性濕敏傳感器

濕度傳感器廣泛用于人體舒適性和環境濕度檢測，尤其是在工業生產、氣象監測、農業種植中。石墨烯是一種很有潛力的低維導濕材料，具有電敏感性和超大的比表面積。氧化石墨烯（GO）含有大量的含氧官能團，并且具有良好的分散性、親水性。GO可以與水分 子相互作用，并作為濕敏膜，有助于制作濕敏傳感器。

濕度傳感器正在從簡單的濕度傳感元件迅速發展到集成的、智能的多參數檢測器。基于石墨烯的柔性濕敏傳感器以低成本、低能 耗、易于制造等優點被廣泛應用。

四、柔性生物傳感器

基于石墨烯的復合材料經常被用作新型改性材料，以提高生物傳感器的靈敏度。由于石墨烯電極的高靈敏度和低檢測限，功能化的石墨烯復合材料可用于生物分子檢測和生物傳感器的制作。可通過將聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT∶PSS）、聚合物 3，4－亞乙基二氧噻吩和rGO進行復合，制備一種柔性和高導電的復合薄膜。采用乙二醇對PEDOT∶PSS處理后，導電率提高約300倍；此外，將rGO摻入經溶液處理后的PEDOT∶PSS可改善其電化學特性。該導電紙生物傳感器成本低、柔韌性好、對環境友好，已用于癌癥生物標記物的檢測。

基于石墨烯材料的柔性生物傳感器種類早已被廣泛開發。石墨烯已被證明對小生物分子的檢測、 酶的電化學和電分析等方面極為有用。盡管如此，想要大批量制備和應用還需要進一步的研究。

研究問題及研究趨勢

對于柔性傳感器更多的是對 它的創新應用和對技術應用的顛 覆，應用前景非常廣闊，目前國內有大部分公司和研究單位在做這方面研究。對于柔性傳感器，柔性材料最大的優勢就是能夠測量精準，而且能夠讓傳感器更加貼合皮膚，能隨時感知和識別肌肉運動， 最大程度地避免肌肉運動時所產生的測量偏差，能夠測量出準確數據。

柔性傳感器一般是將導電填料與有機彈性體互相混合制備。核心部件為導電薄膜或帶有微結構的導電薄膜，但這類薄膜大部分不透氣、不透濕，導致其制備的柔性傳感器長期佩戴會產生悶熱和不舒適感，且傳感器的抗菌性也會影響其長期使用效果。因此，實現舒適的可穿戴體驗對于拓展柔性傳感器的應用領域至關重要。而且所制備的柔性傳感器與可穿戴柔性傳感器仍然存在一定差距，如何將柔性傳感器向可穿戴發展也是一個需要持續研究的問題。

由于石墨烯做電池材料的技術還不成熟，石墨烯在充放電過程中的穩定性很差，循環性能也無法保證，目前基于石墨烯制作的柔性傳感器普遍需要外部供電。設計可穿戴自供能電子器件有望實現設備的永久供能，具有重大科學意義和應用前景。目前也有研究團隊對此做出了考慮和試驗。當前研究自感知功能的柔性傳感器也是熱點， 所謂自感知是指設備不需要人為干預就能獨立運行，這種方式在未來具有非常明顯的優勢，可以減少人類操作失誤所引起的誤差和運行安全問題。這種智能設備在未來將會有非常大的應用前景。另外， 還有關于自修復功能類的柔性傳感器，自修復功能主要包括內部自修復和外部自修復，即不需要任何觸發信號或外部刺激就可以進行自我修復。也可將單一功能器件的柔性傳感器多重集合，例如將自供 電功能和自修復功能集成制備多功能性柔性傳感器等。

基于柔性傳感器的高靈敏度， 其在智能包裝方面也具有巨大的潛在應用價值，可以對包裝品在運輸、生產過程中的微弱反應進行及時響應，從而反映包裝品內外環境的微弱變化。還有很多新興領域有待發現和研究。未來，柔性傳感器具有高柔韌性、高靈敏度、便于攜帶、可穿戴、實時性、安全性等優 點，這些都是柔性電子的必然趨勢。

·結語·

石墨烯以其卓越的電、熱、光學和機械性能引起世界各地研究人員的興趣。隨著石墨烯的發展，石墨烯的制備技術越來越多樣化。然而，石墨烯較大的比表面積使其容易團聚，這影響了其吸附能力和優良性能，進而影響石墨烯增強復合材料性能的改進。經過試驗研究發現，對石墨烯進行適當的功能化處理可以有效改善其性能，擴大其應用范圍。功能化石墨烯是一種可多變設計的材料，有更多的新興領域等待進一步探索和開發。

石墨烯及其衍生物具有獨特 的物理化學性能，基于石墨烯材料的各類柔性傳感器層出不窮。研究發現，基于石墨烯材料的柔性傳感器具有靈敏度高、成本低、穩定性好等優點，在傳感檢測領域具有極大的優勢。隨著日益成熟的生產技術和更加先進的研究方法的發展， 在各個領域關于石墨烯的應用研 究必定會引起更多關注。

編輯：黃飛

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