1成果簡介

在復合材料制造過程中，彈性體固化收縮往往會導致導電網絡起皺，從而嚴重影響柔性應變傳感器的性能，但人們對這種皺紋的具體作用還不完全了解。本文，北京科技大學姜乃生教授、伍英等研究人員在《Small》期刊發表名為“Multiscale Structural Control by Matrix Engineering for Polydimethylsiloxane Filled Graphene Woven Fabric Strain Sensors”的論文，研究開發了一種高靈敏度的聚二甲基硅氧烷填充石墨烯編織物（PDMS-f-GWF）應變傳感器，通過仔細調整基底與固化劑的比例來優化PDMS固化收縮。這種傳感器在25%應變時的測量系數達到了約700，比使用市售配方 PDMS的傳感器高出6倍多。 這種增強的傳感性能歸功于石墨烯網絡的多尺度結構控制，并通過精確調整PDMS的固化收縮率來實現。通過使用原位掃描電子顯微鏡、X 射線散射和拉曼光譜，顯示出 10:0.8 的優化 PDMS 基底與固化劑比率，可實現從原子到宏觀尺度的相互關聯的結構變化，包括石墨烯晶格內更大的 “實際 ”應變、石墨烯皺紋的增強扁平化以及裂紋密度的增加。這些發現強調了彈性體收縮在調節導電網絡多尺度結構中的關鍵作用，為基質工程策略提供了新的見解，從而提高了基于彈性體的柔性應變傳感器的傳感性能。

2圖文導讀

圖1、a） 通過控制 PDMS 固化收縮優化 PDMS-f-GWF 應變傳感器的制造工藝示意圖。b，c） SEM 圖像，以及 d） PDMS-f-GWF 的拉曼光譜。

圖2、PDMS-f-GWF 的應變傳感特性。

圖3、a) SEM (with cracks identified by yellow arrows) and b) optical images of PDMS10:0.8-f-GWF at 30% tensile strain. c) Crack density of PDMS-f-GWFs at different strains. d–f) In situ SEM observations of PDMS10:0.8-f-GWF at different stretching strains. g) Wrinkle densities and cure shrinkages of PDMS-f-GWFs at different tensile strains. h) Schematic illustration of the in situ X-ray scattering measurement, with the sample face perpendicular to the incident X-ray beam and being stretched along theqxdirection. i) SAXS intensity profiles for PDMS10:0.8-f-GWF at different tensile strains. The black arrow indicates the change of power law exponents,n, with increasing tensile strains. j) Fractal dimensions (Ds) of different PDMS-f-GWFs as a function of tensile strain, with black arrows indicating the transition points of fast and slow reduction inDsvalues.

圖4、a) Raman maps of the 2D band position at different tensile strains for PDMS10:0.8-f-GWF and PDMS10:1-f-GWF. b) The average Raman 2D band position of the 15 ×15μm images in a) at different tensile strains. c) Typical Raman spectra of PDMS10:0.8-f-GWF at different stretching strains. d) Shift rate of the 2D band at different tensile strains for PDMS10:0.8-f-GWF and PDMS10:1-f-GWF.

圖5、通過優化 PDMS 基質實現 PDMS-f-GWF 的多尺度結構控制。

圖6、人體運動監測演示。

3小結

在本研究中，我們通過調節復合材料制造過程中 PDMS 的基體固化收縮引起的石墨烯起皺，開發了一種高靈敏度 PDMS-f-GWF 應變傳感器。研究發現，PDMS 的基體與固化劑比例為 10:0.8，在所有測試比例（包括商業推薦的 10:1）中，PDMS-f-GWF 的傳感性能最佳。PDMS10:0.8-f-GWF 復合材料在靈敏度和拉伸性之間實現了最佳平衡，在 25% 應變時的量規系數達到 700，是 PDMS10:1-f-GWF 的 6 倍多。此外，與 PDMS10:1-f-GWF 相比，PDMS10:0.8-f-GWF 的量規系數在石墨烯生長參數和織物網目數變化的情況下始終保持增強，這表明在這些復合材料中使用 PDMS10:0.8 具有普遍優勢。 利用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、SAXS 和拉曼光譜等各種原位技術，對 PDMS-f-GWF 在機械變形過程中從原子到宏觀尺度的結構演變進行了表征。研究發現，與 PDMS10:1-f-GWF 相比，PDMS10:0.8-f-GWF 的靈敏度提高主要歸因于石墨烯皺紋的減少，這有利于 PDMS 和石墨烯之間更有效的界面應力傳遞，從而導致碳鍵的 “實際 ”應變增大、皺紋更容易變平以及裂紋密度增加。我們還證明，平衡良好的微皺紋密度和有效的界面應力傳遞對于 PDMS-f-GWF 應變傳感器實現高靈敏度和大拉伸性至關重要。這些發現凸顯了基體配方在提高柔性導電復合材料性能方面的關鍵作用，為先進應變傳感器的優化和合理設計提供了寶貴的見解。

文獻： https://doi.org/10.1002/smll.2024?10148

審核編輯 黃宇