幾乎沒有研究開發(fā)具有零溫度電阻系數(shù)（TCR）的可穿戴應(yīng)變傳感器，這對于克服溫度干擾問題至關(guān)重要。在此，通過簡便的直接墨水書寫技術(shù)成功地制備了高度可拉伸的石墨烯納米片（GNP）/碳納米管（CNT）/有機(jī)硅彈性體（GCE）纖維。制備的 GCE 纖維由分別具有負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 和正溫度系數(shù) (PTC) 的 CNT 和 GNP 組成。結(jié)果，通過調(diào)整 CNTs 和 GNPs 的質(zhì)量比獲得的 GCE 纖維顯示出接近零的 TCR (1.14*10-4 ℃)，與文獻(xiàn)報道的值相比，這是最低的。此外，與之前報道的數(shù)據(jù)相比，GCE 應(yīng)變傳感器表現(xiàn)出最高的靈敏度（100% 應(yīng)變的規(guī)格因子 (GF) = 14550.2），工作范圍寬（1 至 100%），檢測限低（1% 應(yīng)變） )、快速響應(yīng)時間 (170 ms) 和高耐用性 (10 000 次循環(huán)后)。此外，GCE 應(yīng)變傳感器在包括長期儲存和潮濕/水暴露在內(nèi)的外部條件下表現(xiàn)出出色的電氣穩(wěn)定性。最后，在水和高溫條件下檢測各種人體運(yùn)動，以展示 GCE 應(yīng)變傳感器出色的傳感性能和響應(yīng)穩(wěn)定性。
Figure 1. (a) GCE 纖維的DIW工藝示意圖。(b) GNPs和(c) CNTs 的SEM圖像。(d) 顯示 GCE 纖維橫截面的SEM圖像。(e) XRD 圖案和 (f) CNT、GNP、有機(jī)硅彈性體和 GCE 纖維的拉曼光譜。(g) 有機(jī)硅彈性體和 GCE 纖維的 FTIR 圖案和 (h) TGA 結(jié)果。(i) GCE 纖維的光學(xué)圖像，顯示其在高達(dá) 300% 應(yīng)變下的出色拉伸性。
Figure 2. (a) GCE 纖維的電阻率作為混合 GNP/CNT 填料中 GNP 質(zhì)量比的函數(shù)。(b) 當(dāng)溫度從 25℃升高到 100℃時 GCE 纖維的 RCR。(c) 將制備的 GCE-20 纖維的 TCR 與以前的作品進(jìn)行比較。(d) GCE-20 光纖的 RCR，當(dāng)溫度從 25℃升高到 100℃并在 100℃下保持 15 分鐘時。(e) 示意圖顯示了具有接近零 TCR 的 GCE-20 光纖的機(jī)制。
Figure 3. (a) GCE 應(yīng)變傳感器的 RCR 作為施加應(yīng)變的函數(shù)。(b) GCE 應(yīng)變傳感器的應(yīng)變傳感機(jī)制。(c) GCE 應(yīng)變傳感器的 GF 值和應(yīng)變范圍與之前報道的那些工作的比較。
Figure 4. GCE 應(yīng)變傳感器的應(yīng)變傳感特性：(a) 在 1%、10%、20% 和 40% 的各種應(yīng)變水平下的循環(huán)響應(yīng)，(b) 在不同加載頻率下 20% 應(yīng)變的循環(huán)響應(yīng)，(c) 循環(huán)對幅度為 20% 的方波狀應(yīng)變的響應(yīng)，(d) 響應(yīng)時間和恢復(fù)時間，(e) 在加載應(yīng)變?yōu)?20% 的拉伸-釋放循環(huán)（10000 次循環(huán)）下的長期循環(huán)穩(wěn)定性，（ f) 在 30、40 和 60 1C 的不同溫度下對 20% 加載應(yīng)變的循環(huán)響應(yīng)。
Figure 5.(a) 長期存儲的 GCE 應(yīng)變傳感器的電穩(wěn)定性。(b) 相對濕度和 (c) 水對 GCE 應(yīng)變傳感器的 RCR 響應(yīng)的影響。
Figure 6. GCE應(yīng)變傳感器的應(yīng)用演示。用于檢測 (a) 微笑動作和 (b) 吹氣狀態(tài)的 GCE 應(yīng)變傳感器的 RCR 響應(yīng)。 (c) GCE 應(yīng)變傳感器用作拉伸開關(guān)來控制 LED 燈的亮度。 (d) 光學(xué)圖像顯示了在五個手指和手腕的關(guān)節(jié)上編織有六個 GCE 應(yīng)變傳感器的智能手套。 (e) 用于監(jiān)測不同手勢的 GCE 應(yīng)變傳感器的電響應(yīng)。 (f) GCE 應(yīng)變傳感器在空氣、水、酸和堿溶液等各種測試條件下的照片。 (g) GCE 應(yīng)變傳感器在自然環(huán)境中以及浸入水、酸和堿溶液后對手指彎曲/釋放運(yùn)動的 RCR 響應(yīng)。 (h) 圖像（光學(xué)和紅外）和 (i) GCE 應(yīng)變傳感器在不同溫度下對手腕彎曲運(yùn)動的電響應(yīng)。
相關(guān)研究工作由重慶大學(xué)Zhen-Hua Tang和Yuan-Qing Li課題組與2022年發(fā)表在《J. Mater. Chem. C》上，原文： Direct ink writing of a graphene/CNT/silicone composite strain sensor with a near-zero temperature coefficient of resistance。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
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