基于石墨烯橡皮泥复合材料的高灵敏应变传感器

石墨烯因其良好的电学、力学等物理化学性质，常常被用作填充材料添加进入聚合物基体，以提升高分子材料的导电、机械...



石墨烯因其良好的电学、力学等物理化学性质，常常被用作填充材料添加进入聚合物基体，以提升高分子材料的导电、机械、导热或阻隔性能。粘弹性，作为高分子材料固有的属性，表现为粘性和弹性的结合。由于粘性的存在，复合材料常常呈现出时间依赖的有趣现象。尽管石墨烯/高分子复合材料的流变性质已经被广泛报道和研究，针对高分子本身的粘弹效应，特别是低粘度基质高分子材料，还有很多值得讨论和研究的空间。

近日，爱尔兰都柏林大学和英国曼彻斯特大学研究人员将液相剥离的石墨烯片填充进轻度交联的聚硅树脂（俗称橡皮泥）中，得到一种高粘弹的导电材料。与传统的导电复合物相似，在橡皮泥基体中，添加的石墨烯将构建导电网络提供导电能力，并一定程度上提升了橡皮泥的刚度。但不寻常的是，该复合材料依然保持低粘特性，在施加力或者变形的情况下，石墨烯纳米片可在基体内部移动，相应地石墨烯导电网络产生断裂和重构。

令人惊喜的是，该复合材料表现出在任何其他复合材料中都没有的电力学行为。在很小的变形作用下，电阻会迅速急剧增加达到一个峰值。然而随着时间的推移，尽管变形还维持着，由于石墨烯的迁移，导电网络会慢慢重构，电阻也就逐渐恢复到初值。该复合材料的电阻对极其轻微的变形或冲击十分敏感。通过监测电阻的变化甚至能探测到蜘蛛的脚步，灵敏度是现有商用应变片的一百倍以上。并且通过降低高分子的粘度，有望进一步提高灵敏度。

该复合材料的出现，为高灵敏应变传感器的设计带来了全新的思路，也促进了对低粘度高分子体系的科学理解。可以期待，该高灵敏应变传感器将会在未来的医疗装置、人机交互、智能机器人等领域有不俗的表现。

相关文章：Sensitive electromechanical sensors using viscoelastic graphene-polymernanocomposites. Science 2016, 354, 1257.

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