CN104406513B - 一种石墨烯基表面应变传感器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种石墨烯基表面应变传感器的制备方法，包括以下步骤：(1)配制氧化石墨烯分散液；(2)将氧化石墨烯分散液喷射在基板上，形成氧化石墨烯薄膜；(3)对氧化石墨烯薄膜进行化学还原或紫外光照射，形成石墨烯薄膜；(4)在石墨烯薄膜的两端，用导电胶接入两根铜电极，在两电极间连接欧姆表；(5)在石墨烯薄膜上继续喷涂或刷涂高分子溶液，形成高分子乳胶膜。与现有技术相比，本发明通过喷涂制备氧化石墨烯基薄膜，再利用一定的手段进行还原，最终制备了石墨烯基表面应变传感器。该过程因操作简单，价格低廉，且适于大规模制备，有望应用于建筑结构的健康监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种石墨烯基表面应变传感器的制备方法，属于功能薄膜技术领域。
背景技术
石墨烯具有良好的透过率，理论计算和实验结果均表明，其透光率为97.7％。石墨烯内的每个碳原予以sp2杂化轨道的方式(σ键)与其他3个碳原子相连接，极强的C-C键使得石墨烯片层具有优异的力学性能。剩余的一个p电子轨道垂直于石墨烯平面，与周围的碳原子形成离域的π键，致使电子可在晶体中自由移动，赋予了石墨烯良好的电性能。其电子迁移率可达2×105cm2/(V·s)，是室温下导电性最佳的材料。石墨烯基薄膜在拉伸过程中，其结构发生变形，并且在结构变形过程中其电阻的变化和应变存在相应的线性关系，决定了石墨烯可应用在表面传感领域。
目前国内外在制备石墨烯基表面应变传感器上主要有2种方法，一种是基于CVD法制备石墨烯基表面应变传感器。2012年，Li利用CVD法在铜片上制备了石墨烯网，并将其转移到聚二甲基硅氧烷上，最终制备了石墨烯表面应变传感器，其传感性能在2～6％的应变范围内，灵敏度可达103。其突出的优点就是灵敏度较高，但CVD法也存在突出的局限性，主要表现在制造成本较高，制备工艺较为复杂，很难大规模应用。
另一种是利用石墨烯与高分子物质进行共混制备石墨烯基表面应变传感器。2011年，Eswaraiah首先制备了氧化石墨烯，在经热还原，制备还原氧化石墨烯。以N-N-二甲基乙酰胺为溶剂将其与聚偏氟乙烯共混，制备了石墨烯基传感器。研究表明当还原氧化石墨烯的含量为2％(质量分数)时，传感性能最佳。2012年，Eswaraiah又将还原氧化石墨烯与聚偏氟乙烯共混，利用聚光镜对其进行加热，实现二者的共混，制备了石墨烯基传感器，其结果表明当还原氧化石墨烯的含量为2％(质量分数)时，灵敏度可达12。这种方法也存在着突出的局限性，因高分子物质熔点高，粘度大，石墨烯与高分子物质共混过程较为困难，而且没能有很好的手段进行规模化放大，同样面临着较大的局限性。
中国专利CN 102506693 A公布了一种基于石墨烯的应变测量或运动传感装置，它是在柔性绝缘的基底上结合有一层或多层石墨烯薄膜层，石墨烯薄膜层的两端以电极引出并连接欧姆计，将一个该装置紧密结合于被测物体表面，或将多个该装置紧密结合于被测物体表面即可测量其应变变化或进行运动监测。该发明装置，制备方法简单，适合于表面贴装等大规模生产，可用于多种环境和变形表面；特别是对被测物体影响小，可以做到无感测量，适合生物运动监测。但是该专利中石墨烯是通过沉积法得到的，其制造成本较高，制备工艺较为复杂。而且该方法受到气氛炉腔体大小的限制，很难制备面积较大的薄膜，无法满足一些面积较大结构的健康检测(如：玻璃幕墙、混泥土结构等)。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种石墨烯基表面应变传感器的制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种石墨烯基表面应变传感器的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)配制氧化石墨烯分散液；
(2)将氧化石墨烯分散液喷射在基板上，形成氧化石墨烯薄膜；
(3)对氧化石墨烯薄膜进行化学还原或紫外光照射，形成石墨烯薄膜；
(4)在石墨烯薄膜的两端，用导电胶接入两根铜电极，在两电极间连接欧姆表；
(5)在石墨烯薄膜上继续喷涂或刷涂高分子溶液，形成高分子乳胶膜。
作为优选，所述的氧化石墨烯分散液中含有纳米级二氧化钛，其中氧化石墨烯与二氧化钛的重量比为1∶2～2∶1。
作为优选，所述的氧化石墨烯分散液中含有增强导电材料与纳米级二氧化钛，其中石墨烯与增强导电材料的重量比为3∶1～8∶1，氧化石墨烯与二氧化钛的重量比为1∶2～2∶1。
作为优选，所述的增强导电材料为碳纳米管或金属纳米线。
作为优选，所述的石墨烯薄膜为石墨烯/二氧化钛复合薄膜，其中石墨烯与二氧化钛的重量比为1∶2～2∶1。
作为优选，所述的石墨烯薄膜为石墨烯/增强导电材料/二氧化钛复合薄膜，其中石墨烯与增强导电材料的重量比为3∶1～8∶1，氧化石墨烯与二氧化钛的重量比为1∶2～2∶1。
作为优选，所述的基板为聚四氟乙烯基板或硅胶基板，所述的高分子乳胶膜为苯丙乳胶膜或丙烯酸膜或一些耐水透明漆等。
作为优选，所述的基板可以是一些建筑钢结构，混泥土结构，玻璃幕墙等建筑结构，所述的石墨烯薄膜的厚度为2nm-20nm，所述的高分子乳胶膜的厚度为0.1um-1mm。
作为优选，所述的化学还原包括HI酸还原或水合肼还原。
石墨烯基表面应变传感器的传感原理如下：石墨烯基薄膜在拉伸过程中，石墨烯片层之间发生相对滑移，使得片层与片层之间接触面积减少，进而增大片层与片层之间的接触电阻。本发明制备的石墨烯基表面应变传感器有望应用于一些建筑结构的健康监测。
与现有技术相比，本发明制备了氧化石墨烯分散液，通过喷涂制备氧化石墨烯基薄膜，再利用一定的手段进行还原，有效的降低了成本问题，最终制备了石墨烯基表面应变传感器。该过程因操作简单，价格低廉，且适于大规模制备，可在施工现场进行操作。由于采用喷涂的技术手段，其薄膜的面积可以满足一些大型结构的检测需要。本发明具有如下优点：
(1)以氧化石墨烯为原料，而且制备传感器的过程中无苛刻要求，其制造成本较低。
(2)基于喷涂法制备石墨烯基表面应变传感器，可适当进行放大进行工程化应用。
(3)该方法以乙醇或水/乙醇为溶剂，可在一些亲水或非亲水基板上进行直接成膜，具有更大的使用空间。
附图说明
图1为实施例1喷涂所制备薄膜的AFM图；
图2为实施例1喷涂所制备薄膜的AFM图；
图3为实施例1喷涂所制备薄膜的SEM图；
图4为实施例1喷涂所制备薄膜的SEM图；
图5为实施例1中所制备薄膜的应变-电阻曲线；
图6为实施例3中氧化石墨烯薄膜/碳纳米管/二氧化钛复合薄膜SEM图；
图7为实施例3中氧化石墨烯薄膜/碳纳米管/二氧化钛复合薄膜SEM图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
取1mg/ml氧化石墨烯溶液50ml，向其中加入250ml乙醇。在水/乙醇溶液中制备了稳定分散的氧化石墨烯分散液。超声片刻，取6ml均匀溶液加入到喷笔喷壶里。将聚四氟乙烯基板进行清洗，随后烘干，放入加热台上升温到100℃。此时利用联有气泵的喷笔将上述溶液喷射在面积为2×10cm的聚四氟乙烯基板上，喷射距离为5cm左右。制备了氧化石墨烯薄膜(如图1～图4所示)，再利用HI酸对薄膜进行还原，形成石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜的两端，用导电胶接入两根铜电极，在两电极间连接欧姆表；然后在石墨烯薄膜上继续喷涂一层苯丙乳液，形成高分子乳胶膜，即得到石墨烯基表面应变传感器。待乳液薄膜干燥后对其进行传感性能测试。进行拉伸试验其中拉伸速度：2mm/min，传感性能曲线如图5所示。
实施例2
以乙醇溶液为分散介质，制备0.2mg/ml的氧化石墨烯溶液。超声片刻，取6ml均匀溶液加入到喷笔喷壶里。将硅胶基板进行清洗，随后烘干。此时利用联有气泵的喷笔将上述溶液喷射在面积为2×10cm的硅胶基板上，喷射距离为5cm左右。制备了氧化石墨烯薄膜，再利用HI酸对薄膜进行还原形成石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜的两端，用导电胶接入两根铜电极，在两电极间连接欧姆表；然后喷涂一层苯丙乳液。待乳液薄膜干燥后进行传感性能测试。
其中，灵敏度指标Gauge factor(GF)约为5左右(GF＝(R-R0)/R0ε，其中R表示变形前电阻、R0表示变形后电阻、ε表示应变)。
实施例3
以乙醇溶液为分散介质，制备0.2mg/ml的氧化石墨烯溶液。向其中加入碳纳米管，使氧化石墨烯：碳纳米管的质量比为5∶1，超声30min后，取6ml该溶液，在向其中加入0.5mg/ml的二氧化钛溶液(粒径：5nm，锐钛矿)2ml。此时利用联有气泵的喷笔将上述溶液喷射在面积为2×10cm的聚四氟乙烯基板上，喷射距离为5cm左右。制备了氧化石墨烯薄膜/碳纳米管/二氧化钛复合薄膜(如图6、图7所示)。在紫外光下照射10h，(其中紫外灯为175W，样品距离灯管距离为15cm)进行还原，形成石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜的两端，用导电胶接入两根铜电极，在两电极间连接欧姆表；然后喷涂一层苯丙乳液。待乳液薄膜干燥后进行传感性能测试。
其中，灵敏度指标Gauge factor(GF)约为5左右(GF＝(R-R0)/R0ε，其中R表示变形前电阻、R0表示变形后电阻、ε表示应变)。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种石墨烯基表面应变传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)配制氧化石墨烯分散液；
(2)将氧化石墨烯分散液喷射在基板上，形成氧化石墨烯薄膜；
(3)对氧化石墨烯薄膜进行化学还原或紫外光照射，形成石墨烯薄膜；
(4)在石墨烯薄膜的两端，用导电胶接入两根铜电极，在两电极间连接欧姆表；
(5)在石墨烯薄膜上继续喷涂或刷涂高分子溶液，形成高分子乳胶膜；
所述的氧化石墨烯分散液中含有增强导电材料与纳米级二氧化钛，其中石墨烯与增强导电材料的重量比为3:1～8:1，氧化石墨烯与二氧化钛的重量比为1:2～2:1，所述的增强导电材料为碳纳米管或金属纳米线；
所述的石墨烯薄膜为石墨烯/增强导电材料/二氧化钛复合薄膜，其中石墨烯与增强导电材料的重量比为3:1～8:1，氧化石墨烯与二氧化钛的重量比为1:2～2:1。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯基表面应变传感器的制备方法，其特征在于，所述的基板为聚四氟乙烯基板或硅胶基板，所述的高分子乳胶膜为苯丙乳胶膜或丙烯酸膜。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯基表面应变传感器的制备方法，其特征在于，所述的石墨烯薄膜的厚度为2nm-20nm，所述的高分子乳胶膜的厚度为0.1um-1mm。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯基表面应变传感器的制备方法，其特征在于，所述的化学还原包括HI酸还原或水合肼还原。
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