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3D打印还原氧化石墨烯/弹性体树脂复合材料，用于柔性应变传感器

发布时间：2021-11-12 文章来源： https://doi.org/10.1002/adem.202101068 访问量：

近年来，物联网发展迅速，其中柔性传感技术在智能家居、人体健康监测、软体机器人、电子皮肤、人机界面等领域发挥着至关重要的作用。在这些应用中，应变传感器发挥着核心作用，它具有延展性/柔韧性、顺应性、轻盈性和鲁棒性等特点。在包括压电、压阻式、摩擦电式和电容式、压阻式应变传感器在内的各种柔性应变传感器中，具有高灵敏度、良好的频率响应和简单的结构获得了众多研究人员的关注。

现有的研究已经提出了许多可扩展的制造方法来制造柔性应变传感器，例如光刻、喷涂、激光直写、喷墨打印、铅笔绘制法和浸涂法。这些方法通常需要复杂的程序，或者效率不高或者成本效益不高。

3D 打印，也被称为增材制造，由于其高精度、简单性和快速成型的优点，最近已被用于制造柔性器件。用于制造柔性设备的常见 3D 打印技术包括数字光处理 (DLP)、直接墨水书写 (DIW)和熔融沉积建模 (FDM)。然而，FDM 成型耗时且基于 FDM 的设备的分辨率相对较低。此外，DIW 和 FDM 制备的功能材料是通过喷嘴挤出的，通常难以制造复杂的结构。与 FDM 和 DIW 技术相比，DLP 技术使用 UV 投影仪逐层固化光敏聚合物，以快速成型、表面光滑和高精度的方式制造精细结构。尽管DLP技术取得了巨大成就，但目前的研究主要集中在高性能传感元件的开发上，并未考虑3D打印应变传感器。

石墨烯由于其优异的机械和电学性能，近年来也被用作复合材料中的增强基材。尽管许多研究已经证明添加石墨烯可以改善复合材料的机械和电学性能，但目前对DLP制备的石墨烯基复合材料的机电响应及其在柔性应变传感器中的潜在应用的研究还很少。

近日，华南理工大学Cheng Qian等研究人员通过基于DLP的3D打印技术合成了具有结构调制性能的还原氧化石墨烯/弹性体树脂 (RGO/ER) 复合材料，用于开发柔性应变传感器。RGO/ER 是通过将丙烯酸酯化脂肪族环氧树脂 (EAA)、脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯 (AUD) 和 RGO 按一定质量比例混合而制备的。RGO/ER 复合材料在 40% 的线性检测范围内具有 6.723 的灵敏度和超过 10 000 次拉伸-松弛循环的良好稳定性。此外，可以使用 DLP 印刷的菱形结构进一步调节 RGO/ER 复合材料的灵敏度。通过使用 DLP 的快速原型制作，制造了具有 RGO/ER 传感元件和具有菱形结构的 RGO/ER 作为电极的柔性应变传感器，展示了其在人体运动检测方面的潜力。

相关研究成果以“3D Printed Reduced Graphene Oxide/Elastomer Resin Composite with Structural Modulated Sensitivity for Flexible Strain Sensor” 为题发表在ADVANCED ENGINEERING MATERIALS 上。

图 1.a) 基于DLP的3D打印过程示意图。b) 基于RGO/ER的3D打印字母“E”和“Q”的照片。c) 基于DLP的3D打印的RGO/ER基钻石照片。d) 机械变形期间 RGO/ER 复合材料中的导电路径变化。

图2、a) 3D打印的纯ER的SEM图像。b) RGO的SEM图像。c) 3D打印的RGO/ER复合材料的SEM图像。d) RGO/ER、RGO和ER的拉曼光谱。e) 3D打印ER、RGO/ER和 MWCNT/ER复合材料的应力-应变曲线。f) 不同宽度的RGO/ER复合材料在厚度 (1 mm) 处的电流-电压曲线。

图3、RGO/ER复合材料的机电性能

图4、a）RGO/ER复合材料在不同应变下的总阻抗（Z）-频率曲线。b）不同应变下RGO/ER复合材料的相位角（θ）-频率曲线。c) RGO/ER 复合材料在各种应变下的奈奎斯特曲线。d) 3D打印的RGO/ER复合材料对不同应变的阻抗的简化等效电路图。e) RGO/ER复合材料在不同应变下的电容元件。f) RGO/ER复合材料在不同应变下的电阻元件。