Page 59 - 《精细化工》2023年第12期

第 12 期 郑舒方，等: 石墨烯/聚合物泡沫压阻式应变传感器研究进展 ·2601·

图 4 CB@PU 海绵在连续压缩变形过程中导电路径的演化示意图（a）；CB@PU 海绵的压缩应变与响应电流的关系曲
线及其相应的灵敏度系数（GF）（b）；电阻的相对变化率（ΔR/R 0 ）随压力的变化（c） [34]
Fig. 4 Schematic evolutions of the conductive pathways in CB@PU sponge during continuous compressive deformation (a);
Relationship curve between compressive strain and response current of CB@PU sponge and its corresponding
sensitivity coefficient (b); Change of relative resistance change rate (ΔR/R 0 ) versus pressure (c) [34]

2 具有多孔结构的石墨烯/聚合物柔性应 端的实验条件（高温和腐蚀性化学品等）限制了大
变传感器的构筑工艺 规模生产，阻碍了实际应用 [40] 。因此，探索简便、
环保、可实现商业化的三维石墨烯网络构建策略，
多孔结构的石墨烯基 CPCs 具有高孔隙率和大 使石墨烯基复合压力传感器具有高灵敏度、高柔韧
比表面积，由于其结合了机械灵敏性、高导电性以 性和变形性、宽的压力探测范围和可重复性，仍然
及低滞后性，在压变传感器领域具有广阔的应用前 具有挑战性 [41] 。下面分别介绍上述 3 种策略在构筑
景 [35] 。目前，制备具有多孔结构的石墨烯基 CPCs 具有多孔结构的石墨烯/聚合物柔性应变传感器领
主要有 3 种方法。第 1 种方法是在绝缘的多孔聚合 域的研究进展。
物（通常为 PU 泡沫或海绵）表面沉积石墨烯，其
通用方法是将聚合物泡沫直接浸渍于石墨烯或 GO 3 具有三维多孔结构的柔性应变传感器的
分散液中，然后进行溶剂蒸发或 GO 的还原 [36] 。该 压阻传感性能
方法的主要优点是制备工艺简单，但聚合物泡沫表
3.1 基于聚合物泡沫的柔性应变传感器的性能
面与石墨烯的结合通常为较弱的物理相互作用，导
致石墨烯导电网络接触松散 [37-38] 。第 2 种方法是首 聚合物海绵或泡沫具有成本低、生产规模大、
弹性好、泡孔结构丰富、孔径可调等诸多优点。其
先制备均匀分散的石墨烯/聚合物混合分散液，然后
中，应用最为广泛的为 PU 海绵或泡沫。目前，基
采用物理发泡、化学发泡、可溶性盐或糖模板的溶
于导电聚合物海绵的压力/应变传感复合材料已被
解或其他特殊工艺（如冷冻干燥），形成多孔泡沫结
广泛报道 [35] 。将导电纳米材料溶液浸涂在多孔弹性
构，此时石墨烯主要分散于聚合物基体的内部而非
体或海绵上，是一种制备高灵敏度、高柔性传感材
骨架表面。以上 2 种工艺制备的三维石墨烯网络具
料的新方法。研究证实，这种基于低成本聚合物泡
有结构稳定性低的缺点。第 3 种方法是首先构筑三
沫的传感器在灵敏度、压力范围、信噪比、响应时
维石墨烯泡沫或气凝胶，然后在石墨烯骨架上浸渍
[8]
柔性聚合物，即回填法 [39] 。三维石墨烯骨架的构筑 间、线性度和稳定性方面均表现出良好的性能 。
YAO 等 [35] 为了构建具有致密和断裂微观结构
工艺主要包括以下 2 类，分别为金属泡沫模板法和
的大面积导电海绵，采用商用 PU 海绵浸渍 GO 分
聚合物泡沫模板法等。对于金属泡沫模板法而言，
首先通过化学气相沉积（CVD）工艺，将石墨烯生 散液，将 GO 纳米片均匀涂覆在 PU 海绵骨架上，
干燥后将 GO/PU 海绵浸入还原剂氢碘酸溶液中，在
长在金属泡沫模板上，蚀刻掉金属模板后保留三维
石墨烯泡沫骨架。对于聚合物泡沫模板法而言， PU 海绵骨架上引入导电 RGO 凃层。结果表明，
RGO-PU 导电海绵的压阻传感机制是基于压缩变形
首先将石墨烯沉积于聚合物泡沫表面，高温热处理
将聚合物模板刻蚀掉后保留三维石墨烯网络。基于 过程中导电纳米纤维之间的接触变化所引起的电阻
石墨烯泡沫的柔性应变传感器表现出高灵敏度和低 信号变化。导电海绵的制备过程和压阻传感机制如
压力检测范围的显著优点，但复杂的制作工艺和极 图 5 所示。