三维网状石墨烯基拉伸应变传感器及其制备方法

摘要

本发明提供了一种三维网状石墨烯基拉伸应变传感器的制备方法，通过在施加了预应力的柔性基底内形成3D网状结构的石墨烯，保证传感器的检测灵敏度和抗应变性能的情况下，提升传感器的自修复性能。在制备的过程中，直接将温敏特性的材料N‑异丙基丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷酮用于制备软凝胶，并应用到聚二甲基硅氧烷电极模板中，从而实现了电极模板的拉伸变形，操作简单，可重复性好，不需要额外施加外力来使得电极模板产生拉伸变形，也能够避免外力导致的不均匀的拉伸变形。将3D网状结构的石墨烯直接浸入含有温敏特性材料的聚二甲基硅氧烷中，不需要对石墨烯进行额外的改性处理，省去了繁琐的改性操作，降低了成本。

权利要求

1.一种三维网状石墨烯基拉伸应变传感器的制备方法，包括以下步骤：（1）软凝胶前体的制备：

将1‑5g尿素与5‑10g甲醛溶解在50ml水中得到混合溶液A；将乙烯基聚二甲基硅氧烷、N‑异丙基丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷酮分别溶于溶剂中得到质量体积浓度为5‑10g/100ml的溶液B、C、D，将溶液A、B、C、D按照体积比为1:2:1:1的比例进行混合反应得到反应产物M，即软凝胶前体；

（2）3D网状结构的石墨烯的制备：对泡沫镍依次进行酒精、丙酮、去离子水的超声清洗，氮气吹干，作为生长3D网状结构的石墨烯的模板，将清洗干燥后的泡沫镍转移到化学气相沉积装置中，以甲烷和氢气的原料进行化学气相沉积，在模板上生长得到3D网状结构的石墨烯，然后采用化学蚀刻法，将泡沫镍模板蚀刻去除，即得到自支撑的3D网状结构的石墨烯；

（3）将步骤（1）所得到的软凝胶前体同时加热到聚二甲基硅氧烷中，得到未固化的软凝胶，将未固化的软凝胶置于透明玻璃模具中，然后再将步骤（2）所得到的自支撑的3D网状结构的石墨烯浸入未固化的软凝胶的中部位置，并用透明玻璃盖片将模具内部的未固化的软凝胶压实，然后进行干燥固化，然后冷却至室温。

2.如权利要求1所述的一种三维网状石墨烯基拉伸应变传感器的制备方法，其特征在于：所述3D网状结构的石墨烯、所述软凝胶前体与所述聚二甲基硅氧烷的体积比为1:2:（4‑

8）。

3.如权利要求2所述的一种三维网状石墨烯基拉伸应变传感器的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，3D网状结构的石墨烯的生长温度为1000‑1100℃，甲烷流量为30‑50sccm，氢气的流量为20‑30sccm。

4.如权利要求1所述的一种三维网状石墨烯基拉伸应变传感器的制备方法，其特征在于：在步骤（3）中，还包括将连接在3D网状结构的石墨烯两端的电极，以及与电极相连的导线一同浸入未固化的软凝胶的中部位置，然后进行干燥固化。

5.如权利要求1所述的一种三维网状石墨烯基拉伸应变传感器的制备方法，其特征在于：所述干燥固化的温度为60‑80℃，时间为1‑2h。

6.如权利要求1所述的一种三维网状石墨烯基拉伸应变传感器的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述化学蚀刻法是指采用过硫酸铵作为蚀刻液，对泡沫镍进行化学蚀刻。

7.一种三维网状石墨烯基拉伸应变传感器，其特征在于：采用权利要求1‑6任一项所述的一种三维网状石墨烯基拉伸应变传感器的制备方法制得。

说明书

三维网状石墨烯基拉伸应变传感器及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于传感器制备领域，具体涉及一种三维网状石墨烯基拉伸应变传感器及其制备方法。

背景技术

[0002] 传感器是一种检测装置，可以将被检测的信息按照一定的规律转换成易识别的电信号、数字信号等。决定传感器的优劣的指标主要包括信息接收的灵敏性和信息转化的有
效性。其中，信息接收的灵敏性与传感器本身的材质和结构息息相关。

[0003] 对于应变传感器，其基本原理是利用电阻应变效应，在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件，当传感器中的弹性元件受到外界作用而发生应变变形时，会引起应变敏感元件
的电阻发生相应的改变，再利用转换电路将电阻信号转化后输出即可。目前，性能最优异的
传感器是石墨烯基柔性传感器，其继承了石墨烯优异的力学性能、导电性、柔韧性、稳定性，
能够对各种微小变形进行检测。

[0004] 应变传感器经过多次使用之后，应变会逐渐累积，同时柔性材料也会产生内部损伤，使得传感器的灵敏度下降，即传感器的自修复性能不足。因此，本发明的目的在于解决
拉伸应变传感器的灵敏度在使用过程中逐渐衰退的技术问题，期望通过改善传感器的自修
复性能，保障传感器的灵敏度的稳定性，提升使用寿命。

发明内容

[0005] 为了解决现有的三维网状石墨烯基拉伸应变传感器中所存在的上述问题，本发明提供了一种三维网状石墨烯基拉伸应变传感器的制备方法，通过在施加了预应力的柔性基
底内形成3D网状结构的石墨烯，保证传感器的检测灵敏度和抗应变性能的情况下，提升传
感器的自修复性能。

[0006] 三维网状石墨烯基拉伸应变传感器的制备方法，包括以下步骤：

[0007] （1）软凝胶前体的制备：

[0008] 将1‑5g尿素与5‑10g甲醛溶解在50ml水中得到混合溶液A；将乙烯基聚二甲基硅氧烷、N‑异丙基丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷酮分别溶于溶剂中得到质量体积浓度为5‑10g/100ml
的溶液B、C、D，将溶液A、B、C、D按照体积比为1:2:1:1的比例进行混合反应得到反应产物M，
即软凝胶前体。

[0009] （2）3D网状结构的石墨烯的制备：

[0010] 对泡沫镍依次进行酒精、丙酮、去离子水的超声清洗，氮气吹干，作为生长3D网状结构的石墨烯的模板，将清洗干燥后的泡沫镍转移到化学气相沉积装置中，以甲烷和氢气
的原料进行化学气相沉积，在模板上生长得到3D网状结构的石墨烯，然后采用化学蚀刻法，
将泡沫镍模板蚀刻去除，即得到自支撑的3D网状结构的石墨烯；

[0011] （3）将步骤（1）所得到的软凝胶前体同时加热到聚二甲基硅氧烷中，得到未固化的软凝胶，将未固化的软凝胶置于透明玻璃模具中，然后再将步骤（2）所得到的自支撑的3D网
状结构的石墨烯浸入未固化的软凝胶的中部位置，并用透明玻璃盖片将模具内部的未固化
的软凝胶压实，然后进行干燥固化，然后冷却至室温即可。

[0012] 其中，步骤（1）中，所述3D网状结构的石墨烯、所述软凝胶前体与所述聚二甲基硅氧烷的体积比为1:2:（4‑8）。

[0013] 其中，步骤（2）中，3D网状结构的石墨烯的生长温度为1000‑1100℃，甲烷流量为30‑50sccm，氢气的流量为20‑30sccm。

[0014] 进一步地，在步骤（3）中，还包括将连接在3D网状结构的石墨烯两端的电极，以及与电极相连的导线一同浸入未固化的软凝胶的中部位置，然后进行干燥固化。

[0015] 所述干燥固化的温度为60‑80℃，时间为1‑2h。

[0016] 进一步地，步骤（2）中，所述化学蚀刻法是指采用过硫酸铵作为蚀刻液，对泡沫镍进行化学蚀刻。

[0017] 本发明中，在制备软凝胶前体的过程中，添加了N‑异丙基丙烯酰胺和乙烯基吡咯烷酮，使得所制备得到的软凝胶具有温敏特性，特别是热膨胀特性。将该具有温敏特性的软
凝胶前体加入到聚二甲基硅氧烷中，然后在玻璃模具内进行压实，加热固化，可以使得固化
后得到的PDMS电极模板内呈现均匀的膨胀、拉伸变形，冷却至室温后，PDMS电极模板内会呈
现均匀分布的局部压应力状态。特别需要强调的是，本发明中是利用温敏特性材料来实现
PDMS电极模板的膨胀、拉伸变形，温敏特性材料在聚二甲基硅氧烷中均匀分布，保障了PDMS
电极模板内的膨胀、拉伸变形均匀，冷却后，内部存在的压应力分布均匀，不会存在应力集
中的现象。

[0018] 具体到应变传感器中，当传感器用于测量材料的拉伸应变时，由于本发明的PDMS电极模板内存在均匀分布的压应力，可以使得传感器对拉伸应变的检测灵敏度更高。同时，
由于内部压应力的存在，被测量材料的拉伸应变对传感器的损耗也会降低，压应力也有助
于传感器应对拉伸应变进行自恢复和自修复，传感器的灵敏度不会因为长时间使用而降
低，从而使得传感器的使用寿命得到延长。

[0019] 本发明的制备方法中，直接将温敏特性的材料制成的软凝胶应用到聚二甲基硅氧烷电极模板中，从而实现了电极模板的拉伸变形，操作简单，可重复性好，不需要额外施加
外力来使得电极模板产生拉伸变形，也能够避免外力导致的不均匀的拉伸变形。将3D网状
结构的石墨烯直接浸入含有温敏特性材料的聚二甲基硅氧烷中，不需要对石墨烯进行额外
的改性处理，省去了繁琐的改性操作，降低了成本。

附图说明

[0020] 图1是本发明的三维网状石墨烯基拉伸应变传感器在不同的拉伸应变下的原始灵敏度曲线图；

[0021] 图2是对比例的传感器在不同的拉伸应变下的原始灵敏度曲线图；

[0022] 图3是本发明的三维网状石墨烯基拉伸应变传感器在经过1000次50%的拉伸应变试验后在不同的拉伸应变下的原始灵敏度曲线图；

[0023] 图4是对比例的传感器在经过1000次50%的拉伸应变试验后在不同的拉伸应变下的原始灵敏度曲线图。

具体实施方式

[0024] 下面结合具体是实施例对本发明进行进一步的详细说明。

[0025] 实施例1

[0026] 一种三维网状石墨烯基拉伸应变传感器，其制备方法包括：

[0027] （1）软凝胶前体的制备：

[0028] 将5g尿素与8g甲醛溶解在50ml水中得到混合溶液A；将乙烯基聚二甲基硅氧烷、N‑异丙基丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷酮分别溶于溶剂中得到质量体积浓度为8g/100ml的溶液B、
C、D，将溶液A、B、C、D按照体积比为1:2:1:1的比例进行混合反应得到反应产物M，即软凝胶
前体。

[0029] （2）3D网状结构的石墨烯的制备：

[0030] 对泡沫镍依次进行酒精、丙酮、去离子水的超声清洗，氮气吹干，作为生长3D网状结构的石墨烯的模板，将清洗干燥后的泡沫镍转移到化学气相沉积装置中，以甲烷和氢气
的原料进行化学气相沉积，在模板上生长得到3D网状结构的石墨烯，然后采用化学蚀刻法，
将泡沫镍模板蚀刻去除，即得到自支撑的3D网状结构的石墨烯；

[0031] （3）将步骤（1）所得到的软凝胶前体同时加热到聚二甲基硅氧烷中，得到未固化的软凝胶，将未固化的软凝胶置于透明玻璃模具中，然后再将步骤（2）所得到的自支撑的3D网
状结构的石墨烯，以及连接在3D网状结构的石墨烯两端的电极、与电极相连的导线一同浸
入未固化的软凝胶的中部位置，然后进行干燥固化，然后冷却至室温。

[0032] 其中，步骤（1）中，所述3D网状结构的石墨烯、所述软凝胶前体与所述聚二甲基硅氧烷的体积比为1:2:6。

[0033] 其中，步骤（2）中，3D网状结构的石墨烯的生长温度为1050℃，甲烷流量为35sccm，氢气的流量为20sccm。

[0034] 其中，步骤（3）中，所述干燥固化的温度为80℃，时间为1h。

[0035] 其中，步骤（2）中，所述化学蚀刻法是指采用过硫酸铵作为蚀刻液，对泡沫镍进行化学蚀刻。

[0036] 实施例2

[0037] 一种三维网状石墨烯基拉伸应变传感器，其制备方法包括：

[0038] （1）软凝胶前体的制备：

[0039] 将3g尿素与7g甲醛溶解在50ml水中得到混合溶液A；将乙烯基聚二甲基硅氧烷、N‑异丙基丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷酮分别溶于溶剂中得到质量体积浓度为6g/100ml的溶液B、
C、D，将溶液A、B、C、D按照体积比为1:2:1:1的比例进行混合反应得到反应产物M，即软凝胶
前体。

[0040] （2）3D网状结构的石墨烯的制备：

[0041] 对泡沫镍依次进行酒精、丙酮、去离子水的超声清洗，氮气吹干，作为生长3D网状结构的石墨烯的模板，将清洗干燥后的泡沫镍转移到化学气相沉积装置中，以甲烷和氢气
的原料进行化学气相沉积，在模板上生长得到3D网状结构的石墨烯，然后采用化学蚀刻法，
将泡沫镍模板蚀刻去除，即得到自支撑的3D网状结构的石墨烯；

[0042] （3）将步骤（1）所得到的软凝胶前体同时加热到聚二甲基硅氧烷中，得到未固化的软凝胶，将未固化的软凝胶置于透明玻璃模具中，然后再将步骤（2）所得到的自支撑的3D网
状结构的石墨烯，以及连接在3D网状结构的石墨烯两端的电极、与电极相连的导线一同浸
入未固化的软凝胶的中部位置，然后进行干燥固化，然后冷却至室温。

[0043] 其中，步骤（1）中，所述3D网状结构的石墨烯、所述软凝胶前体与所述聚二甲基硅氧烷的体积比为1:2:7。

[0044] 其中，步骤（2）中，3D网状结构的石墨烯的生长温度为1000℃，甲烷流量为40sccm，氢气的流量为30sccm。

[0045] 其中，步骤（3）中，所述干燥固化的温度为70℃，时间为1h。

[0046] 其中，步骤（2）中，所述化学蚀刻法是指采用过硫酸铵作为蚀刻液，对泡沫镍进行化学蚀刻。

[0047] 实施例3

[0048] 一种三维网状石墨烯基拉伸应变传感器，其制备方法包括：

[0049] （1）软凝胶前体的制备：

[0050] 将3g尿素与10g甲醛溶解在50ml水中得到混合溶液A；将乙烯基聚二甲基硅氧烷、N‑异丙基丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷酮分别溶于溶剂中得到质量体积浓度为10g/100ml的溶
液B、C、D，将溶液A、B、C、D按照体积比为1:2:1:1的比例进行混合反应得到反应产物M，即软
凝胶前体。

[0051] （2）3D网状结构的石墨烯的制备：

[0052] 对泡沫镍依次进行酒精、丙酮、去离子水的超声清洗，氮气吹干，作为生长3D网状结构的石墨烯的模板，将清洗干燥后的泡沫镍转移到化学气相沉积装置中，以甲烷和氢气
的原料进行化学气相沉积，在模板上生长得到3D网状结构的石墨烯，然后采用化学蚀刻法，
将泡沫镍模板蚀刻去除，即得到自支撑的3D网状结构的石墨烯；

[0053] （3）将步骤（1）所得到的软凝胶前体同时加热到聚二甲基硅氧烷中，得到未固化的软凝胶，将未固化的软凝胶置于透明玻璃模具中，然后再将步骤（2）所得到的自支撑的3D网
状结构的石墨烯，以及连接在3D网状结构的石墨烯两端的电极、与电极相连的导线一同浸
入未固化的软凝胶的中部位置，然后进行干燥固化，然后冷却至室温。

[0054] 其中，步骤（1）中，所述3D网状结构的石墨烯、所述软凝胶前体与所述聚二甲基硅氧烷的体积比为1:2:5。

[0055] 其中，步骤（2）中，3D网状结构的石墨烯的生长温度为1100℃，甲烷流量为50sccm，氢气的流量为20sccm。

[0056] 其中，步骤（3）中，所述干燥固化的温度为60℃，时间为2h。

[0057] 其中，步骤（2）中，所述化学蚀刻法是指采用过硫酸铵作为蚀刻液，对泡沫镍进行化学蚀刻。

[0058] 对比例

[0059] 以实施例1作为对比，直接将所制备得到的3D网状结构的石墨烯平铺在两层聚二甲基硅氧烷膜层之间，制成相应的石墨烯基传感器。

[0060] 分别测试实施例1和对比例的传感器在不同的拉伸应变下的灵敏度曲线图。同时，对两个传感器进行1000次50%的拉伸应变试验，然后再次测量其在不同的拉伸应变下的灵
敏度曲线图。所测结果如图1‑4所示。

[0061] 相较于图2中所示的对比例的传感器的灵敏度曲线，图1中示出了本发明的传感器具有良好的灵敏度。相较于图4中所示的对比例的传感器的灵敏度曲线，图3中进一步示出
了本发明的传感器在经过1000次使用之后仍然具有良好的灵敏度，证明了本发明的传感器
的自修复能力优异，传感器的灵敏度不会因为长时间使用而降低，传感器的使用寿命长。以
拉伸应变率为50%的灵敏度为例，拉伸应变率为50%的原始灵敏度为13.6，使用1000次后的
灵敏度为13.2，恢复率达到97%。