衛(wèi)軍，吳志強(qiáng)，董榮珍

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410075)

應(yīng)變傳感器是測(cè)量物體受力變形所產(chǎn)生的應(yīng)變的一種功能型器件，在結(jié)構(gòu)損傷探測(cè)和健康監(jiān)測(cè)等方面有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。傳統(tǒng)的電阻式應(yīng)變傳感器主要是利用金屬或半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)制備[3]，其技術(shù)水平在過(guò)去幾十年沒(méi)能實(shí)現(xiàn)重大突破。傳統(tǒng)應(yīng)變傳感器自身存在的缺陷(量程小、韌性差等)以及在復(fù)雜結(jié)構(gòu)、大應(yīng)變的監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用越來(lái)越不能滿足人們的需求，研制大量程、高靈敏、柔韌性好、可便捷使用的應(yīng)變傳感器十分必要。納米材料獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性狀可以增強(qiáng)和改性高分子聚合物，為制備新型應(yīng)變傳感器提供了理論基礎(chǔ)[4-9]。然而，以納米炭黑和碳納米管為代表的導(dǎo)電填料的復(fù)合材料具有靈敏度低、填充量高、重復(fù)性不高等問(wèn)題。近年來(lái)，具有優(yōu)異力學(xué)和電學(xué)性能的二維納米材料石墨烯成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[10-13]，但大尺寸單層石墨烯拉伸程度有限(最大應(yīng)變約為6%)[14]，且制備工藝復(fù)雜，成本高，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，此外，石墨烯納米粉末不易分散的性質(zhì)也限制了其與聚合物復(fù)合[15-16]。納米纖維素由于纖維尺寸達(dá)到納米級(jí)，具有很多獨(dú)特的性能[17-18]，其能夠在一些溶劑中形成均勻穩(wěn)定的懸浮液，可以納米纖維素為分散劑搭載石墨烯，從而形成均勻穩(wěn)定的石墨烯-納米纖維素懸浮液。納米纖維素之間相互交叉搭接，使得石墨烯形成穩(wěn)定的三維交聯(lián)的多層次導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)，納米纖維素具有良好的相容性，使石墨烯-納米纖維素能與聚合物產(chǎn)生緊密的微觀界面結(jié)合，這為石墨烯與聚合物復(fù)合提供了新的方法。本文作者以石墨烯為導(dǎo)電填料，借助納米纖維素良好的分散性搭載石墨烯，采用溶劑揮發(fā)法在硅橡膠基底上形成多孔隙結(jié)構(gòu)的石墨烯-納米纖維素薄膜，并采用真空方法將硅橡膠嵌入薄膜孔隙中，制備具有層狀結(jié)構(gòu)的基于石墨烯復(fù)合薄膜的應(yīng)變傳感器，對(duì)石墨烯-納米纖維素懸浮液分散性和石墨烯復(fù)合薄膜傳感器的應(yīng)變-電阻性能進(jìn)行測(cè)試，分析傳感器的應(yīng)變-電阻響應(yīng)機(jī)理，建立石墨烯復(fù)合薄膜的壓阻行為預(yù)測(cè)理論模型。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

石墨烯采用還原氧化石墨烯(rGO，純度大于98%，厚度為1～3 nm，片層直徑為0.5～5.0 μm，層數(shù)為3～5層，外觀黑色蓬松粉末)，購(gòu)自蘇州碳豐石墨烯科技有限公司；納米纖維素(CNF，純度大于99%，直徑為4～10 nm，長(zhǎng)度為1～3 μm)，購(gòu)自桂林奇宏科技有限公司；硅橡膠采用聚二甲基硅氧烷(PDMS，Sylgard 184)，購(gòu)自美國(guó)道康寧公司；異丙醇(AR，純度>99.5%)，購(gòu)自上海麥克林生化科技有限公司。

1.2 rGO-CNF/PDMS薄膜傳感器的制備

rGO-CNF/PDMS薄膜傳感器的制備過(guò)程如圖1所示。首先將一定質(zhì)量比的rGO 與CNF 粉末溶于異丙醇中，經(jīng)磁力攪拌后，再超聲分散，得到rGO-CNF 懸浮液。將PDMS 與固化劑按質(zhì)量比10?1混合均勻，經(jīng)自然流平、真空脫氣后，通過(guò)控制固化溫度和時(shí)間，在其呈半固化狀態(tài)時(shí)，將rGO-CNF 懸浮液涂敷于PDMS 表面。半固化狀態(tài)的PDMS 已具備足夠的支撐性和較強(qiáng)的黏性，有利于rGO-CNF 吸附于其上。在溶劑揮發(fā)的同時(shí)，PDMS 繼續(xù)固化，懸浮液中的rGO-CNF 則黏貼堆積于PDMS表面，形成一層多孔結(jié)構(gòu)薄膜。隨后，在rGO-CNF 薄膜上涂敷一層PDMS，置于真空箱中固化，促進(jìn)PDMS 進(jìn)入薄膜孔隙中。固化完成后即形成rGO-CNF/PDMS薄膜。

圖1 rGO-CNF/PDMS薄膜傳感器制備流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of preparation process of rGOCNF/PDMS film sensor

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 rGO-CNF懸浮液的分散性分析

CNF 由于表面存在大量羥基而呈現(xiàn)出較強(qiáng)的極性，并在制備CNF 的酸解過(guò)程中引入帶負(fù)電荷的基團(tuán)間排斥作用，使得CNF 能夠在極性溶劑異丙醇中形成均勻穩(wěn)定的懸浮液。rGO由于化學(xué)活性低和比表面積很高，在溶劑中常出現(xiàn)團(tuán)聚或分散不均勻現(xiàn)象。而rGO 表面分布著部分未被還原的羥基和羧基基團(tuán)，可以通過(guò)氫鍵結(jié)合的方式與CNF 表面的羥基相互作用，實(shí)現(xiàn)CNF 對(duì)rGO 的模板搭載作用，提高rGO 在異丙醇中的分散性。另外，CNF與rGO之間存在π-π作用，π體系間具有很強(qiáng)的吸引力。利用氫鍵作用、π-π作用、靜電斥力等協(xié)同作用使得rGO-CNF 在異丙醇中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定分散。

圖2 rGO，CNF和rGO-CNF懸浮液的紫外-可見(jiàn)吸收光譜Fig.2 Ultraviolet-visible absorption spectra of rGO,CNF and rGO-CNF suspension

圖2 所示為rGO，CNF 和rGO-CNF 懸浮液的紫外-可見(jiàn)吸收光譜圖。從圖2 可見(jiàn)：由于rGO 團(tuán)聚在一起產(chǎn)生隧道效應(yīng)，rGO 懸浮液在200～1 100 nm 光譜范圍內(nèi)沒(méi)有吸收峰；CNF 懸浮液分散良好，出現(xiàn)了特征吸收峰；rGO 和CNF 的混合溶液在270 nm 附近也出現(xiàn)了特征吸收峰，但并不是rGO 和CNF 吸光度的疊加，說(shuō)明這兩者不是簡(jiǎn)單的物理混合，而是發(fā)生了化學(xué)作用，削弱了一些基團(tuán)峰，但相互作用不明顯。圖3所示為rGO和rGO-CNF 懸浮液靜置24 h 前后粒子懸浮狀態(tài)對(duì)比圖。從圖3 可見(jiàn)：靜置24 h 后，rGO 懸浮液由于rGO 碎片團(tuán)聚，出現(xiàn)明顯沉淀，而rGO-CNF 復(fù)合物懸浮液仍呈現(xiàn)出均勻分散的懸浮狀態(tài)。圖4所示為2 種懸浮液的電阻R隨時(shí)間變化情況。從圖4 可見(jiàn)：rGO 懸浮液的電阻隨時(shí)間逐漸增大，而rGOCNF 懸浮液的電阻較穩(wěn)定。以上現(xiàn)象均表明CNF能有效協(xié)助rGO分散，形成穩(wěn)定的懸浮液。另外，CNF 之間彼此交錯(cuò)連接，易形成便于離子和電子傳輸?shù)亩嗫捉Y(jié)構(gòu)。圖5 所示為是否摻加CNF 所形成的2種薄膜的吸水能力對(duì)比。在2種薄膜上滴少量的去離子水，rGO-CNF薄膜上的水被快速吸收，而純r(jià)GO 薄膜上的水很難浸入薄膜內(nèi)，表明rGOCNF 薄膜存在很多孔隙結(jié)構(gòu)，而rGO 薄膜較密實(shí)。

圖3 rGO和rGO-CNF懸浮液靜置前后粒子懸浮狀態(tài)對(duì)比Fig.3 Comparison of particle suspension state of rGO and rGO-CNF suspension before and after static position

圖4 rGO和rGO-CNF懸浮液電阻R與時(shí)間的關(guān)系Fig.4 Relationship between resistance variation of rGO and rGO-CNF suspension and time

圖5 rGO-CNF和rGO薄膜的吸水能力對(duì)比Fig.5 Comparison of water adsorption of rGO-CNF and rGO films

2.2 rGO-CNF/PDMS傳感器力電性能分析

圖6 rGO-CNF和rGO-CNF/PDMS 薄膜拉伸能力對(duì)比Fig.6 Comparison of tensile property of rGO-CNF and rGO-CNF/PDMS films

圖7 3種薄膜的相對(duì)電阻與應(yīng)變的關(guān)系Fig.7 Relationship between relative resistance change and strain of three films

圖6(a)所示為rGO-CNF 懸浮液經(jīng)過(guò)濾干燥后得到的rGO-CNF 薄膜，其只能拉伸到非常有限的程度(最大應(yīng)變約為5%)，進(jìn)一步拉伸時(shí)會(huì)斷裂，其相對(duì)電阻變化與應(yīng)變的關(guān)系曲線如圖7所示。圖7中，R0為初始電阻，ΔR為電阻變化量，ε為薄膜應(yīng)變。應(yīng)變傳感特性不顯著且拉伸范圍有限，而rGO-CNF/PDMS 復(fù)合薄膜則可以拉伸至80%不發(fā)生破壞(如圖6(d)所示)。PDMS 的嵌入顯著提高了復(fù)合薄膜的拉伸性能。復(fù)合薄膜的拉伸能力主要取決于嵌入的彈性基體PDMS，而PDMS的拉伸極限取決于厚度。另外，可以選擇不同彈性模量的基體嵌入rGO-CNF 薄膜中以制得可以滿足不同測(cè)試需求的復(fù)合薄膜，XU 等[19]采用的共聚酯可以拉伸至300%。

一維納米材料碳納米管(CNT)也常用于制備具有應(yīng)變傳感性能復(fù)合材料的導(dǎo)電填料。從圖7 可見(jiàn)：在應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)，CNT 復(fù)合薄膜的相對(duì)電阻變化只有93%，而rGO 復(fù)合薄膜達(dá)504%，是前者的5倍以上，rGO復(fù)合薄膜的應(yīng)變傳感性能明顯優(yōu)于CNT 復(fù)合薄膜。這是由于一維結(jié)構(gòu)具有較高的長(zhǎng)細(xì)比，使得復(fù)合薄膜中的CNT 之間具有更多接觸節(jié)點(diǎn)。拉伸后，CNT 的交錯(cuò)排列能有效地適應(yīng)變形，同時(shí)保持了足夠的接觸節(jié)點(diǎn)。因此，與rGO復(fù)合薄膜相比，CNT 復(fù)合薄膜的相對(duì)電阻變化較小。

表1 所示為制備的rGO-CNF/PDMS 復(fù)合薄膜試樣的基本參數(shù)，包括rGO-CNF 分散液用量、薄膜初始電阻、rGO 分布密度。rGO-CNF 分散液通過(guò)20 mg rGO和20 mg CNF分散于20 mL異丙醇中制得，PDMS 基底長(zhǎng)×寬為20 mm×60 mm。圖8 所示為薄膜初始電阻隨rGO分布密度的變化。從圖8可見(jiàn)：隨著rGO 分布密度增大，薄膜初始電阻總體呈減小的趨勢(shì)；當(dāng)分布密度從0.50 g/m2增加到1.00 g/m2時(shí)，薄膜電阻變化較明顯；當(dāng)分布密度從1.17 g/m2變化到2.00 g/m2時(shí)，薄膜電阻幾乎保持不變。

表1 rGO-CNF/PDMS復(fù)合薄膜試樣的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of rGO-CNF/PDMS composite film samples

圖8 薄膜初始電阻隨rGO分布密度的變化Fig.8 Variation of initial resistance of films with rGO distribution density

當(dāng)rGO 分布密度較小時(shí)，石墨烯片之間的距離較大，較難發(fā)生隧道效應(yīng)，也無(wú)法形成導(dǎo)電通路，此時(shí)，復(fù)合薄膜接近于絕緣體，電阻很大。隨著rGO 分布密度增大，石墨烯片之間的距離足夠小而發(fā)生隧道效應(yīng)，薄膜成為導(dǎo)體，電阻減??；隨著分布密度進(jìn)一步增大，石墨烯片之間相互搭接，形成了部分導(dǎo)電通路，電阻繼續(xù)減小；當(dāng)分布密度繼續(xù)增大時(shí)，更多的石墨烯片搭接、重疊，形成穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，薄膜電阻也達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，不再隨分布密度的增大而發(fā)生較大變化。也就是說(shuō)，隨著rGO分布密度增大，薄膜的導(dǎo)電機(jī)理也發(fā)生變化；當(dāng)rGO 分布密度從0.50 g/m2到1.00 g/m2，薄膜電阻急劇變化，在此區(qū)間內(nèi)，薄膜的導(dǎo)電機(jī)理從隧道效應(yīng)向?qū)щ娡ǖ览碚撨^(guò)渡。

圖9所示為2個(gè)代表性薄膜試樣的相對(duì)電阻與應(yīng)變的關(guān)系曲線。從圖9可以看出：當(dāng)應(yīng)變?cè)?0%之內(nèi)時(shí)，相對(duì)電阻與應(yīng)變呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系；隨著應(yīng)變進(jìn)一步增大，相對(duì)電阻與應(yīng)變呈現(xiàn)出近似指數(shù)增大趨勢(shì)。通常采用靈敏度(K)來(lái)評(píng)價(jià)傳感器的應(yīng)變傳感性能，它將傳感器的相對(duì)電阻ΔR/R0與外部應(yīng)變?chǔ)怕?lián)系起來(lái)：

圖9中曲線斜率即為該薄膜應(yīng)變傳感器的靈敏度。經(jīng)計(jì)算復(fù)合薄膜1 的靈敏度K=24(應(yīng)變?yōu)?0%)，明顯比傳統(tǒng)的金屬應(yīng)變片的靈敏度(約為2)大。對(duì)復(fù)合薄膜1在0～20%應(yīng)變范圍內(nèi)進(jìn)行重復(fù)拉伸試驗(yàn)，重復(fù)拉伸后的應(yīng)變傳感性能見(jiàn)圖10。從圖10 可見(jiàn)：當(dāng)重復(fù)拉伸100 次時(shí)，靈敏度基本保持不變。復(fù)合薄膜傳感器在重復(fù)拉伸作用下力電性能的微小變化可以用石墨烯片層滑動(dòng)的低摩擦耗能來(lái)解釋[13]。

圖9 復(fù)合薄膜相對(duì)電阻變化與應(yīng)變的關(guān)系Fig.9 Relationship between relative resistance change and strain of composite films

圖10 復(fù)合薄膜1重復(fù)拉伸后的應(yīng)變傳感性能Fig.10 Strain sensing property of composite film 1 under cyclic tension

圖11 不同初始電阻的復(fù)合薄膜相對(duì)電阻與應(yīng)變的關(guān)系Fig.11 Relationship between relative resistance change and strain of composite films with different initialresistances

不同初始電阻的復(fù)合薄膜傳感器相對(duì)電阻與應(yīng)變(20%)的關(guān)系如圖11所示。從圖11可見(jiàn)：總體來(lái)說(shuō)，傳感器靈敏度隨薄膜初始電阻增大而增大，高初始電阻的傳感器對(duì)應(yīng)變變化的敏感性較大。相對(duì)于傳統(tǒng)的應(yīng)變傳感器，復(fù)合薄膜傳感器的優(yōu)勢(shì)在于可以通過(guò)調(diào)整初始電阻將傳感器靈敏度調(diào)整到一個(gè)特定值來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)傳感器，或者根據(jù)具體需求進(jìn)行調(diào)整，如測(cè)量低應(yīng)變時(shí)調(diào)整到高靈敏度，測(cè)量高應(yīng)變時(shí)調(diào)整到低靈敏度。

2.3 rGO-CNF/PDMS復(fù)合薄膜壓阻機(jī)理

近年來(lái)，基于石墨烯的傳感器研究逐漸增多，但其機(jī)理尚不明確，石墨烯的制備工藝和薄膜的質(zhì)量差異是造成該機(jī)理不確定的主要原因。聚合物基彈性導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)主要來(lái)自2個(gè)方面：1)導(dǎo)電填料的固有壓阻性；2)由于電子傳導(dǎo)接觸條件變化而引起的壓阻性，如接觸點(diǎn)的斷裂、接觸面積和拉伸時(shí)的間距變化等。大尺寸單層石墨烯的壓阻性已被證實(shí)，然而，石墨烯的六角晶格結(jié)構(gòu)很難被破壞，拉伸程度非常有限，小尺寸石墨烯片之間由范德華力結(jié)合，在應(yīng)力作用下較易發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。本文的傳感器是由小尺寸石墨烯碎片制備的，其壓阻性主要是電子傳導(dǎo)的接觸條件發(fā)生變化而引起的。

rGO-CNF/PDMS 復(fù)合薄膜的導(dǎo)電機(jī)制是“隧道效應(yīng)”和“導(dǎo)電通路”共同作用的結(jié)果。由于聚合物基底的電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于導(dǎo)電填料的電阻率，可以忽略聚合物分子間電流，對(duì)于隧道效應(yīng)占主導(dǎo)地位的復(fù)合薄膜(rGO 分布密度為0.50～1.00 g/m2)的電阻主要由電極間導(dǎo)電體和導(dǎo)電通道數(shù)目決定。需注意的是，這里的導(dǎo)電通道是指由隧道效應(yīng)而形成的導(dǎo)電通道。石墨烯片自身的電阻很小，因此，復(fù)合薄膜的初始電阻R0可表示如下[20-23]：

式中：Rm為2個(gè)石墨烯片間由于隧道效應(yīng)而產(chǎn)生的電阻；Rg為石墨烯片的電阻；N0為復(fù)合薄膜平行于電流方向的初始導(dǎo)電通道數(shù)；s0為石墨烯片之間的初始間距；l為平行于電流方向每個(gè)導(dǎo)電通道中的平均石墨烯片的數(shù)目；V為外加電壓；J為隧道電流；m為電子質(zhì)量；e為電子電量；h為普朗克常量；φ為相鄰石墨烯片的勢(shì)壘；a2為隧道效應(yīng)的絕緣阻隔層有效面積。根據(jù)式(2)和(3)可得復(fù)合薄膜的初始電阻為

當(dāng)復(fù)合薄膜在受到外界應(yīng)力而發(fā)生形變時(shí)，石墨烯片之間的距離s、導(dǎo)電通路數(shù)N等均會(huì)發(fā)生不同程度的變化，從而導(dǎo)致電阻R發(fā)生改變，也就是出現(xiàn)所謂的壓阻效應(yīng)。相對(duì)電阻可表示為

其中，s0與導(dǎo)電填料的粒徑、含量以及基體的彈性模量有關(guān)。當(dāng)復(fù)合薄膜發(fā)生應(yīng)變?chǔ)艜r(shí)，石墨烯片之間的距離s發(fā)生相應(yīng)變化：

ε為聚合物基體的彈性應(yīng)變，反映了基體隨著長(zhǎng)度變化導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生破壞的程度。在應(yīng)力形變作用下，導(dǎo)電通路數(shù)目可表示為[15]

式中：A和B都是與導(dǎo)電填料有關(guān)的常量。將式(7)和(8)代入式(6)可得

則傳感器靈敏度K可表示為

令C=γs0+A，當(dāng)應(yīng)變?chǔ)泡^小時(shí)，靈敏度K可表示為

式(10)和(11)表明：在小應(yīng)變范圍內(nèi)，相對(duì)電阻與形變程度呈線性變化趨勢(shì)，傳感器靈敏度近似于曲線斜率C，與導(dǎo)電填料種類和濃度等因素有關(guān)；當(dāng)拉伸程度不斷加大時(shí)，在大應(yīng)變范圍內(nèi)，電阻呈現(xiàn)指數(shù)變化的趨勢(shì)，相應(yīng)的傳感器靈敏度也接近呈指數(shù)增大，這與由本文制得的傳感器的實(shí)測(cè)結(jié)果是一致的。另外，式(11)也表明復(fù)合薄膜在應(yīng)變作用下，靈敏度主要取決于導(dǎo)電填料的初始隧道間隙，可以通過(guò)增加石墨烯片層之間的初始距離來(lái)提高石墨烯應(yīng)變傳感器的靈敏度，即減小石墨烯的分布密度，前提是得保證片層間距足夠發(fā)生隧道效應(yīng)。

對(duì)于導(dǎo)電通道占主導(dǎo)機(jī)制的復(fù)合薄膜(rGO 分布密度大于1.00 g/m2)，其電阻由導(dǎo)電體電阻Rg和接觸電阻Rc決定，因此，復(fù)合薄膜的初始電阻R0可表示為

復(fù)合薄膜受力變形后的電阻R為

則復(fù)合薄膜電阻變化率為

石墨烯片之間的接觸電阻可以表示為[24-25]

式中：R′c為薄膜變形后的接觸電阻；a為與石墨烯片的表面狀態(tài)、接觸壓力和電阻率相關(guān)的常數(shù)；S為石墨烯片的接觸面積。當(dāng)復(fù)合薄膜發(fā)生應(yīng)變?chǔ)藕?，石墨烯片的接觸面積可表示為

式中：b為初始狀態(tài)下與石墨烯片接觸方式相關(guān)的常數(shù)；S0為石墨烯片的初始接觸面積；S′為薄膜變形石墨烯片的接觸面積將式(15)和(16)代入式(14)可得

當(dāng)應(yīng)變?chǔ)泡^小時(shí)，靈敏度K可表示為

從式(18)可以看出：當(dāng)應(yīng)變較小時(shí)，傳感器的靈敏度近似于1 個(gè)常數(shù)，這與實(shí)測(cè)結(jié)果相符。式(10)和式(17)顯示了復(fù)合薄膜在應(yīng)變作用下，靈敏度與導(dǎo)電體填料勢(shì)壘、間距、接觸面積和應(yīng)變程度等有關(guān)。導(dǎo)電體填料的間距與其分布密度有直接關(guān)聯(lián)，當(dāng)減小填充材料的分布密度時(shí)，導(dǎo)電體的間距s0增大，靈敏度K會(huì)相應(yīng)增大。然而，當(dāng)分布密度較低時(shí)，復(fù)合薄膜電阻較大，不利于實(shí)際應(yīng)用時(shí)傳感信號(hào)的測(cè)量和獲取，而較大的分布密度會(huì)導(dǎo)致復(fù)合薄膜力學(xué)性能發(fā)生顯著變化，聚合物自身具有的優(yōu)異回彈性和低模量等特性將無(wú)法得到繼承和發(fā)揮，并且復(fù)合薄膜電阻率變化幅度以及靈敏度將變小。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，隨著應(yīng)變程度加大，電阻變化還與填充材料的摻雜效應(yīng)、分散劑與材料間相互作用及導(dǎo)電材料在基體中的分散等有關(guān)，因此，需要在特定形變范圍內(nèi)研究填充材料種類和分布密度對(duì)復(fù)合薄膜應(yīng)變特性的影響。

3 結(jié)論

1)CNF 能有效協(xié)助rGO 的分散，彼此之間交錯(cuò)搭接，也易形成便于離子和電子傳輸?shù)亩嗫捉Y(jié)構(gòu)。

2)利用CNF 在異丙醇中搭載rGO 形成均勻穩(wěn)定的rGO-CNF 復(fù)合物懸浮液，采用溶劑揮發(fā)法在PDMS 彈性基底上形成多孔隙結(jié)構(gòu)的rGO-CNF 薄膜，再將液態(tài)PDMS 嵌入孔隙中，固化后制備了具有層狀結(jié)構(gòu)的柔性應(yīng)變傳感器。與直接在基底上堆積形成的單層石墨烯片層相比，避免了石墨烯納米片與基底之間吸附力不足而導(dǎo)致的變形不協(xié)調(diào)問(wèn)題，同時(shí)，彈性基底PDMS 良好的機(jī)械性能也使得傳感器具有較強(qiáng)的拉伸能力和重復(fù)性，也能有效保護(hù)傳感器不被輕易破壞，延長(zhǎng)了傳感器的使用壽命。

3)借助CNF形成的均勻穩(wěn)定的rGO導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，使得傳感器具有較高的靈敏度，并可通過(guò)控制工藝參數(shù)來(lái)調(diào)整，還可以通過(guò)控制柔性基底的厚度或材料種類來(lái)調(diào)整傳感器的測(cè)量量程，傳感器的柔性基底還可以適應(yīng)不同表面形狀的結(jié)構(gòu)測(cè)量。

4)通過(guò)分析制備的一系列石墨烯復(fù)合薄膜傳感器應(yīng)變-電阻響應(yīng)機(jī)理，建立了復(fù)合薄膜壓阻行為預(yù)測(cè)理論模型，預(yù)測(cè)的應(yīng)變與電阻的關(guān)系與實(shí)測(cè)結(jié)果相符。該柔性傳感器具有較高的靈敏度和可靠性、優(yōu)異的力學(xué)和壓阻性能，其制備成本低且易于加工，有望應(yīng)用于損傷探測(cè)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。