[发明专利]一种功能化石墨烯基柔性应变传感器及其制备方法与应用

说明书

本发明公开一种功能化石墨烯基柔性应变传感器，包括柔性树脂基底和嵌在基底中的功能化石墨烯导电膜，所述功能化石墨烯导电膜包括功能化石墨烯片、改性剂和金属离子；其中，所述改性剂和金属离子分布在功能化石墨烯片之间并桥接相邻的功能化石墨烯片；所述改性剂为包括有氨基或/和羟基的化合物。本发明中功能化石墨烯导电膜中的功能化石墨烯片在循环拉伸过程中的滑移会减少，基于该功能化石墨烯导电膜的应变传感器的拉伸循环稳定性会大大提高，应变传感器的电阻峰值不会随拉伸循环而下降。

技术领域

本发明涉及应变传感器技术领域。更具体地，涉及一种功能化石墨烯基柔性应变传感器及其制备方法与应用。

背景技术

目前，柔性电子器件在电子产品消费市场诸如军事，医疗，健身保健等领域都有极高的市场价值和发展潜力。而柔性可拉伸应变传感器作为柔性可穿戴设备的核心部件，发挥着感应应变的关键作用。石墨烯因为优异的导电性能和机械性能而在纳米复合材料、柔性微结构电子器件等方面有着深入的研究，为制备柔性力学传感器提供了有利基础。但是石墨烯类柔性应变传感器在拉伸循环的过程中，由于柔性基体的泊松比效应以及石墨烯片结构特性，石墨烯片会随着拉伸循环的进行发生滑移，出现电阻峰值随拉伸循环的进行而下降的现象，进而会导致柔性应变传感器在拉伸循环过程中循环稳定性降低，这将严重影响传感器的测量精度和稳定性。

因此，需要提供一种具有良好循环稳定性的石墨烯基柔性应变传感器。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种功能化石墨烯基柔性应变传感器，该柔性应变传感器具有良好的拉伸循环稳定性。

本发明的第二个目的在于提供一种功能化石墨烯基柔性应变传感器的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供一种功能化石墨烯基柔性应变传感器的应用。

为达到第一个目的，本发明采用下述技术方案：

一种功能化石墨烯基柔性应变传感器，包括柔性树脂基底和嵌在基底中的功能化石墨烯导电膜，所述功能化石墨烯导电膜包括功能化石墨烯片、改性剂和金属离子；其中，所述改性剂和金属离子分布在功能化石墨烯片之间并桥接相邻的功能化石墨烯片；所述改性剂为包括有氨基或/和羟基的化合物。

优选地，所述功能化石墨烯包括有环氧基和/或羧基和/或羟基。

石墨烯是一种层状二维材料，其片层之间通过范德华力和氢键连接，应用在柔性应变传感器时，石墨烯片会随着拉伸循环而发生滑移，且此过程不可逆，进而导致应变传感器的电阻峰值随拉伸循环而下降，影响传感器的测量精度和稳定性。在本发明中，所提供的功能化石墨烯，是在石墨稀上修饰环氧基和/或羧基和/或羟基等活性官能团得到的层状二维材料。修饰活性官能团的过程可以是将石墨氧化得到氧化石墨烯，再还原得到具有导电性的功能化石墨烯，亦可以是直接在石墨烯上修饰上环氧基、羧基或羟基等活性官能团。

本发明提供的功能化石墨烯导电膜中的功能化石墨烯片之间分布有改性剂和金属离子，且相邻功能化石墨烯片通过改性剂和金属离子实现桥接，如图1所示。具体地，同一平面的相邻功能化石墨烯片之间，以及上下两层相邻的功能化石墨烯片层之间均存在有大量的改性剂和金属离子，功能化石墨烯中的环氧基和羧基可以与改性剂中的氨基或/和羟基发生反应，产生比氢键或范德华力更加稳定的共价键；另外，金属离子容易与功能化石墨烯上面的羟基和环氧基发生螯合作用，形成比氢键或范德华力更加稳定的配位键。

因此，在本发明中，相邻功能化石墨烯片之间除了有氢键和范德华力之外，还存在有功能化石墨烯与改性剂和金属离子形成的共价键和配位键，相邻功能化石墨烯之间的作用力大大增强，其在循环拉伸过程中的滑移会减少，进而基于该功能化石墨烯导电膜的应变传感器的拉伸循环稳定性会大大提高，应变传感器的电阻峰值不会随拉伸循环而下降。

优选地，所述改性剂包括有多巴胺类化合物。