石墨烯纤维制备方法、石墨烯纤维温度传感器及应用

1.本发明属于石墨烯技术领域，特别是石墨烯纤维制备方法、石墨烯纤维温度传感器及应用。


背景技术：

2.测温技术的革新对许多工业产品的开发、应用都具有重要意义。传统的温度传感器如热电偶、电阻温度检测器(rtd)和热敏电阻通常被用于家庭、工业和医疗等领域。随着人们生活方式的不断丰富和拓展，对测温传感器的要求不再局限于简单的生活、制造，目前，可穿戴传感器以其灵活、柔韧、方便携带等特点积极响应社会的广泛需求。
3.目前常见的测温材料大多只能满足室温下的测温需求，而在低温状态下由于本征结构的限制无法达到令人满意的测温精度。发明人发现，铂金(pt)作为一种常见的测温材料，在温度从305k下降到9.5k时，电阻仅减少了80％，而且在温度小于31k的低温环境下阻值变化十分缓慢。这与目前大多数常用的测温材料相似，即在低温条件下测温灵敏度大大降低，不再具有准确的测温功能。
4.石墨烯材料拥有优异的机电性能和负的电阻-温度系数，因此在测温传感领域中得到广泛研究。发明人发现，目前可获取的资料中双层石墨烯的电阻温度系数被确定约为-0.007c-1
，单层石墨烯约为-0.003c-1
，少数层石墨烯约为-0.0015c-1
，可见基于石墨烯的微/纳米级材料与目前的传感器相比并没显示出明显优势，还没有在实际的热传感领域中得到广泛应用。
5.同时发明人还发现，为了满足更加个性化的需求，相比较于纯石墨烯材料，基于石墨烯的各种组装材料可以在充分展示石墨烯优异性能的同时还保有各自的独特属性，从而为石墨烯在热传感领域的应用创造更多的可能性。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种石墨烯纤维制备方法、石墨烯纤维温度传感器及应用，解决现有技术中测温材料在低温条件下测温灵敏度降低，无法准确测温的问题，利用石墨烯纤维温度传感器的高灵敏度缩小了误差范围，提高了低温环境下的测量精度。
7.为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
8.一方面，本发明提供了一种石墨烯纤维制备方法，包括：
9.将氧化石墨烯水溶液悬浮液均匀分散；
10.用注射器将氧化石墨烯水溶液悬浮液注入玻璃管中，并将玻璃管两端密封；
11.在烤箱中烘烤，得到与管道几何形状相匹配的预制石墨烯纤维；
12.将预制的石墨烯纤维从断裂的玻璃管中取出，并在空气中进行干燥，得到石墨烯纤维。
13.优选的，所述氧化石墨烯水溶液悬浮液的密度为8mg/ml。
14.优选的，所述氧化石墨烯水溶液悬浮液中，纳米石墨烯的片径范围为5-50μm。
15.优选的，将氧化石墨烯水溶液悬浮液均匀分散，具体为将氧化石墨烯水溶液悬浮液在超声分散仪中均匀分散2个小时。
16.优选的，所述烤箱的温度为230℃，烘烤时间为2小时。
17.优选的，所述将玻璃管两端密封，具体为：用酒精灯将玻璃管两端加热密封。
18.优选的，还包括对获得的石墨烯纤维进行瞬态电热实验，具体为：
19.将获得的石墨烯纤维样品裁切至设定长度，并将样品固定在基台上；
20.将样品基台放入真空腔室内并密封，开启系统抽真空操作，使实验过程全程处于真空状态；
21.开启控温模式，对温度进行调节并对不同温度下石墨烯纤维样品的电阻进行测量。
22.优选的，通过导电银胶将样品固定在基台上。
23.第二方面，本发明提供了一种石墨烯纤维温度传感器，包括石墨烯纤维，所述石墨烯纤维由上述石墨烯纤维制备方法制作形成。
24.第三方面，本发明提供了一种上述石墨烯纤维制备方法获得的石墨烯纤维在测量温度中的应用。
25.本发明具有以下有益效果：
26.1.本发明利用制备的石墨烯纤维对温升的敏感性，将石墨烯纤维应用于测温可以提高测温的精确度，利用石墨烯纤维制成的测温传感器具有测温高灵敏度，可以缩小误差范围，提高测量精度。
27.2.本发明制备的石墨烯纤维在低温下电阻的变化越来越快，这说明石墨烯纤维对温度变化非常敏感，且温度越低敏感度越强，非常适合在低温环境下进行温度检测。
28.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本发明石墨烯纤维制备方法流程示意图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
32.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“中”、“外”、“内”、“下”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
33.实施例一：
34.请参阅图1所示，本发明为一种石墨烯纤维制备方法，包括：
35.将氧化石墨烯水溶液悬浮液均匀分散；
36.用注射器将氧化石墨烯水溶液悬浮液注入玻璃管中，并将玻璃管两端密封；
37.在烤箱中烘烤，得到与管道几何形状相匹配的预制石墨烯纤维；
38.将预制的石墨烯纤维从断裂的玻璃管中取出，并在空气中进行干燥，得到石墨烯纤维。
39.进一步的，所述氧化石墨烯水溶液悬浮液的密度为8mg/ml。
40.进一步的，所述氧化石墨烯水溶液悬浮液中，纳米石墨烯的片径范围为5-50μm。
41.进一步的，将氧化石墨烯水溶液悬浮液均匀分散，具体为将氧化石墨烯水溶液悬浮液在超声分散仪中均匀分散2个小时。
42.进一步的，所述烤箱的温度为230℃，烘烤时间为2小时。
43.进一步的，所述将玻璃管两端密封，具体为：用酒精灯将玻璃管两端加热密封。
44.进一步的，还包括对获得的石墨烯纤维进行瞬态电热实验，具体为：
45.将获得的石墨烯纤维样品裁切至设定长度，并将样品固定在基台上；
46.将样品基台放入真空腔室内并密封，开启系统抽真空操作，使实验过程全程处于真空状态；
47.开启控温模式，对温度进行调节并对不同温度下石墨烯纤维样品的电阻进行测量。
48.进一步的，通过导电银胶将样品固定在基台上。
49.(一)样本1的制备
50.一种制备高测温灵敏度石墨烯纤维的方法，具体为：
51.(1)将8mg/ml的氧化石墨烯水溶液悬浮液在超声分散仪中均匀分散2个小时。
52.(2)用注射器将8mg/ml的氧化石墨烯水溶液悬浮液注入直径为0.4mm的玻璃管中，并用酒精灯将管道两端加热密封。
53.(3)在230℃的烤箱中烘烤2小时，得到与管道几何形状相匹配的预制石墨烯纤维。
54.(4)将预制的石墨烯纤维从断裂的玻璃管中释放出来，并在空气中进行干燥得到直径为38μm的石墨烯纤维。
55.经检测，所制得的石墨烯纤维在室温下的电阻为4387ω，11k时电阻为3.45
×
108ω。
56.(一)样本2的制备
57.一种制备高测温灵敏度石墨烯纤维的方法，具体为：
58.(1)将8mg/ml的氧化石墨烯水溶液悬浮液在超声分散仪中均匀分散2个小时。
59.(2)用注射器将8mg/ml的氧化石墨烯水溶液悬浮液注入直径为1.1mm的玻璃管中，并用酒精灯将管道两端加热密封。
60.(3)在230℃的烤箱中烘烤2小时，得到与管道几何形状相匹配的预制石墨烯纤维。
61.(4)将预制的石墨烯纤维从断裂的玻璃管中释放出来，并在空气中进行干燥得到直径为93μm的石墨烯纤维。
62.经检测，所制得的石墨烯纤维在室温下的电阻为1422ω，11k时电阻为8.75
×
107ω。
63.对比例1
64.与样本2的制备相比，区别在于：水热反应容器直径为0.4mm，其他步骤与样本2的制备过程相同。
65.实施例二：
66.本实施例提供了一种上述实施例一所述的石墨烯纤维制备方法获得的石墨烯纤维在测量温度中的应用。
67.本实施例对上述实施例一制备得到的样本1和样本2进行研究，并且针对常用测温材料石墨薄膜和铂金薄膜进行对比，得到的实验结果如表1和表2所示。其中，表1为样品1、样品2、石墨薄膜和铂金薄膜在常温和低温下的电阻值对比，表2为样品1、样品2、石墨薄膜和铂金薄膜在常温和低温下的η值对比。
68.表1：
[0069][0070]
由上述表1可以得出，当温度从常温下降到低温(具体实施中是从295k下降到11k)时，石墨烯纤维的阻值变化产生了非常大的跨度，增加了大约五个数量级，样品1的电阻从4387增加到3.45
×
108ω，样品2的电阻从1422增加到8.75
×
107ω，而且在低温下电阻的变化越来越快。这说明石墨烯纤维对温度变化非常敏感，且温度越低敏感度越强。
[0071]
根据实验结果还得出，石墨烯纤维在室温下每1％的阻值变化可以反映2k的温度改变，在10k时为0.02k，这再次证明了石墨烯纤维测温的超高灵敏度，并且温度越低灵敏度越高。
[0072]
表2：
[0073][0074]
由上述表2可以得出，石墨烯纤维的η值(η＝|dr/dt/r|)随着温度的降低而迅速上升，显示出电阻对温度极强的敏感性。根据具体实验过程结果，在11k时达到0.5k-1
。
[0075]
石墨烯纤维对温度的响应时间也与温度传感器的特征时间相契合，其中样品1在295k、210k、110k、50k时达到90％的温升所需的时间分别是0.46s、0.43s、0.39s和0.32s。
[0076]
本实施例中石墨烯纤维的特征热响应时间(
△
tc＝0.2026l2/α)很短，说明两个样品都有非常快的热反应。其中样品1从室温下降到20k时，
△
tc从0.44s下降到0.21s，对于样品2，
△
tc从0.81s降低到0.29s。
[0077]
通过上述样本1、样本2和石墨薄膜、铂金薄膜的对比可知，石墨烯纤维在低温下拥有精确测温的巨大潜力，在11k时，石墨烯纤维的测温灵敏度是pt的62.5倍，而且即使在室温下石墨烯纤维电阻对温度变化的灵敏度也不低于石墨和pt。
[0078]
石墨烯纤维的特征热响应时间明显优于传统金属氧化物材料(2mm
╳
2mm
╳
0.2μm)28s的典型响应时间。当然，这与自身的体积和周围介质的对流传热系数有关。由于特征相应时间为
△
tc＝0.2026l2/α，如果将石墨烯纤维样品长度继续缩短为1/10，例如100μm，则响应速度可以进一步提高100倍以上。
[0079]
实施例三：
[0080]
本实施例提供了一种石墨烯纤维温度传感器，包括石墨烯纤维，所述石墨烯纤维由上述实施例一中所述的石墨烯纤维制备方法制作形成。
[0081]
本实施例中石墨烯纤维由于对温升的敏感性，当作为tet实验的传感器时，在室温状态下的温升可以低至1k，这比其他传感材料可感知的温升要低得多，从而实现极低的热干扰。
[0082]
在tet实验中常用作热传感器的铱和金膜在室温下的温升分别约为16k和17.4k，目前使用的tet热传感材料很难准确判断测量结果处于哪个温度下。即使是石墨烯泡沫的tet测量中，其温升也有5k。而样品1在30k时的最低温升为0.029k，样品2在25k时的最低温升为0.027k。相比较于传统的测温传感器，石墨烯纤维传感器的高灵敏度可以缩小误差范围，提高测量精度，特别适合应用于低温环境下的温度测量。
[0083]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0084]
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。