CN109631743A - 一种基于石墨烯纳米银的柔性应变传感器及其制备方法 - Google Patents

一种基于石墨烯纳米银的柔性应变传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于石墨烯纳米银的柔性应变传感器及其制备方法，包括聚二甲基硅氧烷基底和嵌在基底中的导电网络骨架，所述导电网络骨架包括石墨烯纳米片和银纳米颗粒，所述银纳米颗粒分布在石墨烯纳米片之间并桥接相邻的石墨烯纳米片。本发明实施例的应变传感器灵敏度高，测量范围大，制备方法简单。

Description

一种基于石墨烯纳米银的柔性应变传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种柔性应变传感器，具体来说，涉及一种基于石墨烯纳米银的柔性应变传感器及其制备方法。
背景技术
应变传感器可以监测各种变形，并在运动检测、健康监测、机器人和损伤检测中得到广泛应用。基于金属或半导体的传统应变传感器价格低廉且应用广泛，但其缺点如脆弱、高密度、低分辨率和低检测范围(通常低于5％)不能满足现代对应变传感器的拉伸性、高灵敏度、线性度和耐久性的高要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种高灵敏度的柔性应变传感器及其制备方法。
为解决上述技术问题，一方面，本发明实施例提供一种基于石墨烯纳米银的柔性应变传感器，包括聚二甲基硅氧烷基底和嵌在基底中的导电网络骨架，所述导电网络骨架包括石墨烯纳米片和银纳米颗粒，所述银纳米颗粒分布在石墨烯纳米片之间并桥接相邻的石墨烯纳米片。
另一方面，本发明实施例提供一种基于石墨烯纳米银的柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
S10采用还原法在石墨烯纳米片的表面生成银纳米颗粒，得到石墨烯纳米银复合物；
S20将步骤S10得到的石墨烯纳米银复合物与聚二甲基硅氧烷混合，采用浇铸法获得基于石墨烯纳米银的柔性应变传感器。
作为优选，步骤S10具体包括：
S101取石墨烯纳米片和硝酸银粉末混合，加入去离子水，放入超声波清洗仪中混合，形成混合液；
S102将步骤S101得到的混合液注入还原剂中，搅拌进行反应，生成反应溶液；
S103将步骤S102制得的反应溶液抽滤，并用去离子水洗涤，重复抽滤和洗涤n次，得到过滤产物；
S104将过滤产物进行真空干燥，得到石墨烯纳米银复合物。
作为优选，所述步骤S101中，取石墨烯纳米片和硝酸银粉末的质量比为1： 1～4。
作为优选，所述步骤S102中，还原剂采用1～2ml质量浓度为40％～80％的水合肼。
作为优选，所述步骤S102中，还原剂采用柠檬酸钠。
作为优选，步骤S20具体包括：
S201取步骤S10得到的石墨烯纳米银复合物与二甲基硅氧烷固化剂混合，进行搅拌，制得混合物；
S202将步骤S201制得的混合物浇铸到传感器模具中，干燥后得到基于石墨烯纳米银的柔性应变传感器。
作为优选，所述步骤S202中，取干燥后的产物与二甲基硅氧烷固化剂的质量比为1：10～30。
与现有技术相比，本发明实施例的柔性应变传感器灵敏度高。本实施例中，采用石墨烯纳米片和银纳米颗粒形成的导电纳米复合材料，在基底中构造导电网络，外界应变幅值的增加会导致相邻石墨烯纳米片之间的距离逐渐扩大，从而减少复合材料中导电通路的数量，引起复合材料的GF随应变的增大而增加。同时，银纳米颗粒的引入可提高柔性应变传感器的导电性能。相对于石墨烯纳米片构成的导电网络，石墨烯纳米片和银纳米颗粒协同构成的导电网络包含导电通路电阻阻值更小。在拉伸过程中，这些导电通路逐渐断裂，导电网络电阻阻值变大。这种变化引起的电阻的相对变化会更高，即提高了应变传感器的灵敏度。由石墨烯纳米片和银纳米颗粒构建的导电网络嵌在聚二甲基硅氧烷制成的高柔韧性的基底中，可以使得导电网络更紧凑，在拉伸过程中，导电网络中导电通路被破坏，一部分银纳米颗粒迁移受损的导电通路间隙中，修复部分导电通路，从而提高器件的测量范围。本实施例中，采用还原法在石墨烯纳米片的表面生成银纳米颗粒，相比于将石墨烯纳米片与银纳米颗粒直接混合，使得银纳米颗粒在石墨烯纳米片表面附着更紧密，提高应变传感器的灵敏度。本实施例中，将石墨烯纳米银复合物与聚二甲基硅氧烷混合浇铸成型得到应变传感器，工艺简单。
附图说明
图1为本发明实施例传感器的结构示意图；
图2为图1的剖面图；
图3为本发明实施例传感器拉伸后的结构示意图；
图4为图3的剖面图。
图中：石墨烯纳米片1、银纳米颗粒2、聚二甲基硅氧烷基底3、石墨烯纳米片之间的间隙4。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步的解释说明。
如图1和图2所示，本发明实施例提供一种基于石墨烯纳米银的柔性应变传感器，包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底3和嵌在基底中的导电网络骨架，所述导电网络骨架包括石墨烯纳米(GNPs)片1和银纳米(AgNPs)颗粒2，所述银纳米(AgNPs)颗粒2分布在石墨烯纳米(GNPs)片1之间并桥接相邻的石墨烯纳米(GNPs)片1。
从图1和图2中可以看出，银纳米颗粒2附着在石墨烯纳米片1表面，填充石墨烯纳米片1之间的间隙4，协同石墨烯纳米片构建完善的导电网络，构造更多导电通道。在拉伸过程中，从图3和图4可以看出，相邻石墨烯纳米片之间的距离增大，导电通道逐渐减少，从而对外界应变作出响应。同时银纳米颗粒具有优良的导电性能，可提高应变传感器的导电性能。
本发明实施例的应变传感器灵敏度高，测量范围大。本实施例中，采用聚二甲基硅氧烷制作传感器的基底3，使得应变传感器具有高柔韧性。采用石墨烯纳米片1和银纳米颗粒2形成的导电纳米复合材料，在基底3中构造导电网络，外界应变幅值的增加会导致相邻石墨烯纳米片1之间的距离逐渐扩大，从而减少复合材料中导电通路的数量，引起复合材料的GF随应变的增大而增加。同时，银纳米颗粒2的引入可提高的柔性应变传感器的导电性能，相对于石墨烯纳米片构成的导电网络，石墨烯纳米片1和银纳米颗粒2协同构成的导电网络包含导电通路电阻阻值更小，在拉伸过程中，这些导电通路逐渐断裂，导电网络电阻阻值变大，这种变化引起的电阻的相对变化会更高，即提高了应变传感器的灵敏度。由石墨烯纳米片1和银纳米颗粒2构建的导电网络嵌在聚二甲基硅氧烷制成的高柔韧性的基底3中，可以使得导电网络更紧凑，在拉伸过程中,导电网络中导电通路被破坏，一部分银纳米颗粒迁移受损的导电通路间隙中，修复部分导电通路，从而提高器件的测量范围。
本发明实施例还提供一种基于石墨烯纳米银的柔性应变传感器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
S10采用还原法在石墨烯纳米片1的表面生成银纳米颗粒2，得到石墨烯纳米银复合物；
S20将步骤S10得到的石墨烯纳米银复合物与聚二甲基硅氧烷混合，采用浇铸法获得基于石墨烯纳米银的柔性应变传感器。
上述实施例的制备方法，步骤S10具体包括：
S101取石墨烯纳米(GNPs)片和硝酸银(AgNO3)粉末混合，加入去离子水，放入超声波清洗仪中混合，形成混合液；
S102将步骤S101得到的混合液注入还原剂中，搅拌进行反应，生成反应溶液；
S103将步骤S102制得的反应溶液抽滤，并用去离子水洗涤，重复抽滤和洗涤n次，得到过滤产物；
S104将过滤产物进行真空干燥，得到石墨烯纳米银复合物。
上述实施例的制备方法，步骤S101中，取石墨烯纳米(GNPs)片和硝酸银 (AgNO3)粉末的质量比为1：1～4。通过选择不同的石墨烯纳米片和硝酸银粉末的质量比，可以调节石墨烯纳米片之间间隙的银纳米颗粒的填充量。本实施例使用上述质量比范围的石墨烯纳米片和硝酸银粉末，适量的银纳米颗粒填充在石墨烯纳米片之间，在拉伸过程中由石墨烯纳米片和银纳米颗粒协同构成的导电路径断裂带来的相对电阻变化较为明显，制备的应变传感器具有较好的灵敏度。其中，优选质量比为1：2。
上述实施例的制备方法，步骤S102中，还原剂采用1～2ml，质量浓度为 40％～80％的水合肼(N2H4·H2O)。还原剂也可采用柠檬酸钠。通过选择不同的还原剂或改变反应时间，可以调节银纳米颗粒2在石墨烯纳米银片1表面的附着紧密程度。本实施例使用上述容量范围和浓度范围的水合肼作为还原剂，银纳米颗粒2在石墨烯纳米片1表面的附着紧密程度较好，拉伸过程中不断有适量的银纳米颗粒2迁移到破损导电通路间隙中，制备的应变传感器具有较好的灵敏度同时具有宽测量范围。其中，优选2ml浓度80％的水合肼。
上述实施例的制备方法，步骤S202中，取干燥后的产物与二甲基硅氧烷 (PDMS)固化剂的质量比为1：10～30。通过选择不同的质量比，用于调节石墨烯纳米片1和银纳米颗粒2在聚二甲基硅氧烷基底3中构成的导电网络紧密程度。本实施例使用上述质量比的干燥后的产物与二甲基硅氧烷，石墨烯纳米片1和银纳米颗粒2在聚二甲基硅氧烷基底3中构成的导电网络紧密程度好，拉伸过程中断裂的导电通路占比好，电阻阻值相对变化较为明显，制备的应变传感器具有较好的灵敏度同时具有宽测量范围。其中，优选质量比为1：20。
上述实施例的制备方法，步骤S20具体包括：
S201.取步骤S10得到的石墨烯纳米银复合物与二甲基硅氧烷(PDMS)固化剂混合，进行搅拌；
S202.将步骤S201制得的混合物浇铸到传感器模具中，干燥后得到基于石墨烯纳米银的柔性应变传感器。
本发明优选实施例的基于石墨烯纳米银的柔性应变传感器的制备方法，具体包括以下步骤：
S101.取60mg石墨烯纳米片(GNPs)和120mg硝酸银(AgNO3)粉末混合，加30ml去离子水，放入超声波清洗仪超声混合30分钟；
S102.用移液枪将2ml浓度为80％的水合肼(N2H4·H2O)注入上述混合溶液中，搅拌6小时，充分反应；
S103.将上述反应溶液抽滤，用去离子水洗涤，重复抽滤和洗涤三次，得到过滤产物；
S104.将过滤产物在70℃下，真空干燥1小时；
S105.取100mg干燥后的产物与2g聚二甲基硅氧烷固化剂混合，搅拌30 分钟；
S106.将上述混合物浇铸到长方体凹槽(凹槽：4cm*1cm*0.05cm)模具中，放入干燥箱，100℃下干燥30分钟后取出，获得基于石墨烯纳米银的柔性应变传感器。
上述实施例的制备方法，采用还原法在石墨烯纳米片1的表面生成银纳米颗粒2得到石墨烯纳米银复合产物，相比于将石墨烯纳米片与银纳米颗粒直接混合，使得银纳米颗粒2在石墨烯纳米片1表面附着更紧密，提高应变传感器的灵敏度。将石墨烯纳米银复合产物与聚二甲基硅氧烷混合浇铸成型得到应变传感器，工艺简单。使用上述实施例的制备方法制备得到的基于石墨烯纳米银的柔性应变传感器，具有较高的灵敏度。
以上阐述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于石墨烯纳米银的柔性应变传感器，其特征在于，包括聚二甲基硅氧烷基底(3)和嵌在基底中的导电网络骨架，所述导电网络骨架包括石墨烯纳米片(1)和银纳米颗粒(2)，所述银纳米颗粒(2)分布在石墨烯纳米片(1)之间并桥接相邻的石墨烯纳米片(1)。
2.一种基于石墨烯纳米银的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10采用还原法在石墨烯纳米片(1)的表面生成银纳米颗粒(2)，得到石墨烯纳米银复合物；
S20将步骤S10得到的石墨烯纳米银复合物与聚二甲基硅氧烷混合，采用浇铸法获得基于石墨烯纳米银的柔性应变传感器。
3.根据权利要求2所述的基于石墨烯纳米银的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，步骤S10具体包括：
S101取石墨烯纳米片和硝酸银粉末混合，加入去离子水，放入超声波清洗仪中混合，形成混合液；
S102将步骤S101得到的混合液注入还原剂中，搅拌进行反应，生成反应溶液；
S103将步骤S102制得的反应溶液抽滤，并用去离子水洗涤，重复抽滤和洗涤n次，得到过滤产物；
S104将过滤产物进行真空干燥，得到石墨烯纳米银复合物。
4.根据权利要求3所述的基于石墨烯纳米银的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S101中，取石墨烯纳米片和硝酸银粉末的质量比为1∶1～4。
5.根据权利要求3所述的基于石墨烯纳米银的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S102中，还原剂采用1～2ml质量浓度为40％～80％的水合肼。
6.根据权利要求3所述的基于石墨烯纳米银的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S102中，还原剂采用柠檬酸钠。
7.根据权利要求1所述的基于石墨烯纳米银的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，步骤S20具体包括：
S201取步骤S10得到的石墨烯纳米银复合物与二甲基硅氧烷固化剂混合，进行搅拌，制得混合物；
S202将步骤S201制得的混合物浇铸到传感器模具中，干燥后得到基于石墨烯纳米银的柔性应变传感器。
8.根据权利要求4所述的基于石墨烯纳米银的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S202中，取干燥后的产物与二甲基硅氧烷固化剂的质量比为1∶10～30。
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