Page 63 - 《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 ·2605·

体，得到 RGO/PDMS 复合材料，该材料可以通过电 是制备石墨烯泡沫的简单而高效的方法。首先，将
阻变化感知压缩应变。 石墨烯或其衍生物沉积于聚合物泡沫孔壁上，然后
CVD 生长法是通过精确控制反应-气体混合流 采用高温裂解等工艺将聚合物模板去除，从而保留
动，将石墨烯网络沉积在泡沫金属上，然后蚀刻金 三维石墨烯泡沫骨架结构。例如：DU 等 [51] 首先将
属骨架，得到石墨烯泡沫 [48] 。CHEN 等 [49] 通过 CVD PU 海绵浸泡在 GO 分散体中，干燥后将其转移到乙
方法在泡沫镍上生长石墨烯，然后将镍/石墨烯泡沫 醇火焰中数十秒，将 PU 模板去除，制备出高导电
浸泡在 PDMS 和固化剂的混合溶液中；经过固化和 性石墨烯泡沫。该材料保留了原有 PU 海绵的三维
多孔形态，具有较高弹性，在压缩应变为 50%时能
蚀刻，获得了表面涂覆 PDMS 的石墨烯泡沫。YANG
等 [50] 以铜网为模板，采用 CVD 工艺制备了石墨烯 够完全恢复，在压缩应变为 30%时电阻相对变化率
（ΔR/R 0 ）达到 25%。WANG 等 [52] 以 PU 海绵为骨架，
编织微织物（GM），并制备了可以检测触摸压力强
将 GO 包覆 PU 海绵后高温炭化，制成多孔导电海
度和位置的 GM/硅橡胶柔性传感器。
绵，并将导电聚合物聚吡咯（PPy）附着在泡孔骨架
应该指出的是，基于 CVD 工艺制备石墨烯泡沫
壁上，制备示意图如图 9 所示。所得 PPy/RGO@炭
反应条件苛刻，后续去除金属硬模板的刻蚀工艺比
化 PU 纳米复合材料保留了初始 PU 海绵的多孔形
较复杂，不易操作，并且可能会破坏石墨烯的结构
态，其中 PPy 的形态为附着在泡孔骨架壁上的纳米
完整性。此外，CVD 生长的石墨烯泡沫材料在低压
球。由于在 RGO@炭化 PU 中引入了导电 PPy，可
缩条件下通常是脆性的，在蚀刻出模板后会发生塌
以提供更多的接触点，促进了电子转移，并能够承
陷，其几何形状、密度和孔隙率在自组装过程中不 受更多的空间变形，PPy/RGO@炭化 PU 海绵在压
容易控制。因此，基于金属模板制备石墨烯泡沫具 缩应变范围低于 33.8%时的灵敏度系数为 0.171，在
有一定的局限性，不适合大规模低成本制备压阻式 较 大的压 缩应 变区域 时为 0.770 。 另 外，基 于
柔性传感器。 PPy/RGO@炭化 PU 的压力传感器的压力灵敏度系
–1
3.3.2 聚合物泡沫模板法 数为 0.635 kPa ，在压缩变形压力传感器领域中具
聚合物泡沫模板法（通常为 PU 泡沫或海绵） 有广阔的应用前景。

图 9 PPy/RGO@炭化 PU 纳米复合材料制备过程示意图 [52]
Fig. 9 Schematic illustration of synthesis process of PPy/RGO@carbonized PU nanocomposite [52]

此外，在柔性三维多孔石墨烯泡沫上涂覆弹性 感。PATOLE 等 [55] 首先将石墨烯嵌入 PU 泡沫的孔
体聚合物后可提高其拉伸性能和体适性，使应变传 壁上，高温热解炭化后得到三维泡沫石墨烯，与黏
感器具有更良好的形变恢复能力，使其在释放应变 弹性 PDMS 浸渍后形成石墨烯泡沫-PDMS 纳米复合
后能更快地恢复原有结构，降低不可逆结构破坏程 材料。互连石墨烯网络不仅赋予复合材料优良的导
度。ZHANG 等 [53] 以 PU 海绵为模板吸附 GO，通过 电性（高达 2.85 S/m，而 PDMS 导电性仅为 2.5×10 –14
乙醇火焰处理将 GO 高温热还原，同时去除 PU 模 S/m），还使其具有超灵敏的压阻性能。当施加 10%
板，制备出石墨烯泡沫。然后将石墨烯泡沫浸入天 的压缩应变时，电阻率降低了 99.94%，初始灵敏度
然橡胶（NR）胶乳中制备了柔性多孔 NR/石墨烯泡 系数达 178。在不同应变下的循环压缩/释放实验表
沫复合材料。结果表明，在应变范围为 10%~40%时， 明，在最大应变为 30%时，石墨烯泡沫-PDMS 的力
该多孔柔性传感器的灵敏度系数高达 210。它可以 学响应和压阻响应都是完全可逆的。
用来检测运动步骤，手指弯曲和识别应变类型。
SAMAD 等 [54] 在 1000 ℃的氮气气氛中加热 GO 涂覆 4 多孔柔性应变传感器在人体运动监测应
的 PU 海绵，去除 PU 模板后得到三维多孔石墨烯泡 用的研究进展
沫，随后用 PDMS 浸渍，得到石墨烯泡沫/PDMS 复
合材料，该复合材料可用于各种低、高应变/压力传 随着可穿戴电子技术的快速发展，对高灵敏度、