基于三维石墨烯网络的柔性应变传感器研究

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1、中图分类号：O613.7论文编号：102870618-SZ058学科分类号：085204硕士学位论文基于三维石墨烯网络的柔性应变传感器研究研究生姓名郭成龙专业类别工程硕士专业领域材料工程指导教师周建新副教授南京航空航天大学研究生院材料科学与技术学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofMaterialScienceandTechnologyResearchonFlexibleStrainSensorsBasedon3D

2、GrapheneNetworksAThesisinMaterialsEngineeringbyGuoChengLongAdvisedbyAssociateProf.ZhouJianXinSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为

3、获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要传统的应变传感器件多由金属和半导体材料制备，使其存在柔性差、量程小、灵敏度低、分析电路复杂等不足。随着科技的发展，近年在人体生理健康监测、人造电子皮肤、虚拟现实、柔性触摸屏等领域对可自愈合、柔性大应变、高灵敏度的应变传感器件有着巨大的需求，为了突破现有的技术壁

4、垒，近年有关这方面的研究主要集中在纳米材料领域。石墨烯在保持自然界最薄尺度的同时兼具优异的机电性能和柔韧性，成为制备下一代高性能应变传感器件的潜在材料。本论文在传统化学气相沉积技术制备石墨烯的基础上，利用改进的制备方法和转移工艺，构筑了两种不同三维网络形态的石墨烯柔性应变传感器件，分别对其应变传感性能、机理进行了深入研究，并针对其表现出的优异综合性能进行了应用探索。本论文主要的工作和结论有：1.高透明度三维石墨烯网络（T-GTN，Transparent-GrapheneTrenchNet）的构筑及其应变传感器件性能研究。利用“微量镍蒸

5、汽辅助”的化学气相沉积技术，以三维铜网为模板制备基于少数层（2-3层）石墨烯的透明三维网络，再利用“软凝胶一步转移”技术实现三维石墨烯网络在保留三维结构的同时向聚二甲基硅氧烷（PDMS）柔性基底的转移，得到具有沟渠状微观结构的高透明度T-GTN网络，并以此结构构筑柔性应变传感器件。器件在可见光范围内透明度高达80%，在我们的实验条件下，器件最低分辨应变优于0.015%，器件响应时间为280ms，器件在应变3%时灵敏度GF高达10000，在应变0.3%下循环3650次后基础电阻漂移小于5%。通过原位扫描电镜和拉曼光谱等分析表明，该器件应

6、变-电阻响应主要由拉伸过程中石墨烯表面产生的可恢复微裂纹导致。2.三维泡沫石墨烯网络（GFN，GrapheneFoamNet）的构筑及自愈合应变传感器件性能研究。利用普通化学气相沉积技术，以三维泡沫镍为模板，制备基于多层（3-10层）石墨烯的三维网络，并进一步借助“软凝胶一步转移”技术实现三维石墨烯向PDMS基底的转移，转移后得到GFN网络，最后以该结构构筑柔性可自愈合应变传感器件。该应变传感器件最低分辨应变为0.015%，量程为0.015%~27.8%，在应变0.2%~6.67%时，灵敏度GF~100，在应变达到30%时仍可自愈合。

7、在应变3.3%下5000次的循环后，基础电阻漂移小于5%。10次30%大应变拉伸并愈合后又在3.33%应变下循环1000次，基础电阻漂移仍小于5%。原位分析显示，外加应变导致石墨烯片间重叠面积的改变而引起石墨烯片间电阻的变化和石墨烯网络节点的接触和断开造成电流回路变化是该器件应变-电阻效应的主要机制。3.石墨烯应变传感器的应用探索。针对GFN应变传感器表现出的优异综合性能，结合多种实际场合应用了该传感器：将其柔性结构贴在人皮肤表面可以对人体生理状态诸如脉搏、眨眼、吞咽及肢体运动等进行实时监测，并可通过蓝牙模块进行无线监测；将其悬置在空

8、中，可I基于三维石墨烯网络的柔性应变传感器研究以轻易的分辨各种音响发声，并能进行语音采集。关键词：石墨烯,应变传感器,化学气相沉积,应变系数,柔性器件,生理信号监测II南京航空航天大学硕士学位论文ABSTRACTCurr