Page 55 - 《精细化工》2023年第12期

第 40 卷第 12 期 精 细 化 工 Vol.40, No.12
2 023 年 12 月 FINE CHEMICALS Dec. 2023

综论
石墨烯/聚合物泡沫压阻式应变传感器研究进展

郑舒方，王玉印，张泽楷，靳玉岭

（济宁学院 化学化工与材料学院，山东 曲阜 273155）

摘要：基于石墨烯和聚合物的三维多孔结构的导电聚合物基复合材料（CPCs）具有轻量化、高灵敏度、宽应变
检测范围、低成本和可扩展性等优点，已成为可穿戴柔性应变传感器的理想选择。首先，总结了柔性压阻式泡
沫应变传感器的裂纹扩展机制、重叠-断开机制和隧穿效应机制；其次，介绍了 3 种具有多孔结构的石墨烯/聚合
物柔性应变传感器的构筑工艺，包括基于聚合物泡沫、基于石墨烯/聚合物混合分散液、基于石墨烯泡沫的方法；
然后，综述了通过上述 3 种工艺制备的柔性多孔应变传感器的传感性能，并列举了其在人体运动监测领域中的
应用实例；最后，对基于石墨烯和聚合物的柔性多孔应变传感器面临的挑战和发展前景进行了展望。
关键词：石墨烯；聚合物泡沫；应变传感器；传感机制；人体运动监测
中图分类号：TP212；TB332 文献标识码：A 文章编号：1003-5214 (2023) 12-2597-12

Research progress on graphene/polymer piezoresistive
strain sensors with foaming structures

ZHENG Shufang, WANG Yuyin, ZHANG Zekai, JIN Yuling
（School of Chemistry, Chemical Engineering and Materials, Jining University, Qufu 273155, Shandong, China）

Abstract: Conductive polymer composites (CPCs) based on graphene/polymers with three-dimensional
porous structures have been the optimal choice for the wearable and flexible strain sensors due to the
advantages of lightweight, high sensitivity, wide pressure range, low cost and scalability. Herein, the
sensing mechanisms such as crack propagation, overlapping-disconnection and tunneling effect of flexible
strain sensors were summarized, followed by introduction on the three kinds of construction processes of
CPCs with porous structures, including polymer based foam, graphene/polymer mixed dispersion and
graphene foam. Then, the sensing performances of flexible strain sensors with porous structures prepared by
the above-mentioned three techniques were reviewed, and the relevant examples of flexible strain sensors
with porous structures in human motion monitoring fields were presented. Finally, the challenges and
development prospects of porous and flexible strain sensors based on graphene/polymers were discussed.
Key words: graphene; polymer foams; strain sensors; sensing mechanism; human motion monitoring

柔性、高灵敏度、快速响应和低成本的压阻式 表现出极高的灵敏度，但由于其高刚性，与柔性设
柔性应变传感器在电子皮肤、语音识别、运动监测、 备不兼容，限制了其在柔性应变传感器领域的应用。
便携式医疗监测等领域的应用前景十分广阔 [1-4] 。到 目前，包括带有微结构橡胶介质层的电容式传感器、
目前为止，已经成功设计了各种类型的传感器模型 纳米线有源阵列场效应晶体管和可逆连锁纳米纤维
来制造柔性应变传感器，主要包括有机场效应晶体 压敏电阻等柔性压力传感器已被证实具有优异的传
[7]
管、摩擦电传感、电容式传感、压电式传感和压阻 感性能 。然而，这些柔性压力传感器的制造过程
式传感等 [5-6] 。传统的基于晶体管的传感器，特别是 通常较为复杂，严重影响了传感器的制造成本。因
基于硅-金属氧化物半导体场效应晶体管的传感器 此，迫切需要开发简单和经济高效的替代路线来制

收稿日期：2023-03-08; 定用日期：2023-05-16; DOI: 10.13550/j.jxhg.20230182
基金项目：国家自然科学基金项目（22201099）；山东省自然科学基金青年基金项目（ZR2021QB204）；济宁学院博士科研启动基金
项目（2018BSZX04）
作者简介：郑舒方（1988—），女，博士，讲师，E-mail：zhengsf1988@163.com。