[发明专利]一种用于应变传感器的石墨烯/海藻酸钠/碳纳米管复合弹性气凝胶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于应变传感器的石墨烯/海藻酸钠/碳纳米管复合弹性气凝胶及其制备方法。本发明方法基于构建纤维增强复合以及采用碳纳米管增加传感灵敏性的思路，将石墨烯、海藻酸钠以及碳纳米管混合形成气凝胶后，在H₄N₂·H₂O蒸汽气氛中进行还原反应，制备得到所述用于应变传感器的石墨烯/海藻酸钠/碳纳米管复合弹性气凝胶。本发明的气凝胶具有高机械耐久性、良好弹性、结构连续性以及高灵敏度，通过控制氧化石墨烯、海藻酸钠以及碳纳米管配比的比例，控制了气凝胶的孔结构的规则度，形成了较为规则的网络，从而调控了气凝胶的机械性能，以及电阻变化响应性能；同时通过水合肼蒸汽的充分还原，使制备的气凝胶具有疏水性能。

技术领域

本发明属于应变传感器材料领域，具体涉及一种石墨烯/海藻酸钠/碳纳米管复合弹性气凝胶及其制备方法。

背景技术

高弹性应变传感器由于其在结构健康检测、电子皮肤、可伸缩的太阳能电池以及压力分布分析等方面的应用，已经成为了人们研究的一个热点。迄今为止，弹性应变传感器一般通过使用炭黑、碳纳米管、石墨烯、纳米线、纳米颗粒以及它们的复合纳米结构组织来制造。如Gong Shu， Schwalb Willem等人通过将超薄金纳米线浸渍的薄纸夹在两个薄的聚二甲基硅氧烷片之间，构建出高灵敏度，灵活的压力传感器（Gong S, Schwalb W, Wang Y,et al. A wearable and highly sensitive pressure sensor with ultrathin goldnanowires[J]. Nature Communications, 2014, 5(2):3132.）。Darren J. Lipomi等人报告了一种透明的，导电的单层碳纳米管的喷涂膜，可以通过沿着每个轴施加应变来拉伸，然后释放该应变。该方法在纳米管中产生类似弹簧的结构，其容纳高达150％的应变（Vosgueritchian M, Lipomi D J, Bao Z. Highly Conductive and TransparentPEDOT:PSS Films with a Fluorosurfactant for Stretchable and FlexibleTransparent Electrodes[J]. Advanced Functional Materials, 2012, 22(2):421-428.）。

具有超低密度和快速恢复变形率的多孔石墨烯气凝胶材料是制造具有优良电子传导性能和机械性能的应变传感器的首选材料之一。然而由于石墨烯的π-π键特性以及范德华力的作用，石墨烯片层总是趋向于形成不可逆的团聚体，这导致了大多数石墨烯气凝胶易破裂的机械性能。例如：在进行压缩测试时，气凝胶往往会发生结构的坊塌或严重的不可逆形变。造成这一现象的原因可能是由于在诱导组装过程中，石墨稀片层之间严重堆叠造成的。

尽管目前已研究的气凝胶表现出所需的一定的导电性，有的也有一定的机械稳定性能，然后两者紧密联系，同时兼顾，则较为不易。还有一些关键问题仍有待解决。 例如，这些报告的制备过程通常很复杂，电阻不稳定，循环变形如压缩，弯曲，拉伸或变化扭转大大限制了混合气凝胶的实际应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种用于应变传感器的石墨烯/海藻酸钠/碳纳米管复合弹性气凝胶。该气凝胶具有高机械耐久性、具有良好疏水性、良好弹性、结构连续性以及高灵敏度，在应变传感器材料中具有广阔的应用前景。

本发明的目的还在于提供所述的一种用于应变传感器的石墨烯/海藻酸钠/碳纳米管复合弹性气凝胶的制备方法。该方法基于构建纤维增强复合以及采用米管增加传感灵敏性的思路，将石墨烯、海藻酸钠以及碳纳米管混合形成气凝胶后，在H₄N₂·H₂O蒸汽气氛中进行还原反应，制备得到所述用于应变传感器的石墨烯/海藻酸钠/碳纳米管复合弹性气凝胶。