一种双梯度微褶皱石墨烯基柔性应变传感器的制备方法和应用

本发明属于柔性电子，具体涉及一种双梯度微褶皱石墨烯基柔性应变传感器的制备方法和应用。

背景技术：

1、柔性应变传感器是一种新型传感器，相较于传统传感器，具有更大的灵活性、更好的变形能力、更强的灵敏度和精确度、更广泛的使用环境，在健康检测、医疗手术、人机交互、电子皮肤、智能工业等领域具有广阔的发展应用前景。不过在柔性应变传感器目前的研究进展中，前期高灵敏度和大的应变范围难以实现同步提升的问题影响着应变传感器向更高的性能发展。当施加外部应力时，前期小应变高灵敏度通常是通过破坏导层结构络来实现的，如：应变中微裂纹的扩展，从而导致应变范围的减小。而大应变范围是通过制备延缓裂纹产生结构来实现的，如：制备微褶皱结构，从而延缓微裂纹的产生来增加应变范围。综上，前期小应变高灵敏度和大应变范围这两者是矛盾的。所以，目前制备兼具前期小应变下的高灵敏度和大应变范围的柔性应变传感器仍是一个巨大挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的是协调柔性应变传感器前期小应变高灵敏度和大应变范围之间的矛盾，制备了一种具有双梯度微褶皱结构的rgo柔性应变传感器。本发明的材料制备简易、制造成本低廉、信号传输稳定、适用范围广泛，特殊的结构设计能同时提高前期小应变下灵敏度和增加应变范围。

2、本发明提供了一种双梯度微褶皱石墨烯基柔性应变传感器的制备方法和应用，采用的技术方案是：

3、一种双梯度微褶皱石墨烯基柔性应变传感器的制备方法，包括如下步骤：

4、1)使用改善hummers法制备氧化石墨烯go溶液，然后将go溶液用蒸馏水稀释，进行搅拌、超声分散后获得两种不同浓度的go溶液；

5、2)使用抽滤装置对两种不同浓度的go溶液进行真空抽滤，通过控制被抽滤的go溶液的体积来控制薄膜的厚度来分别获得较薄的go薄膜和较厚的go薄膜；

6、3)使用氢碘酸对较薄的go薄膜和较厚的go薄膜进行还原，还原后得到较薄的rgo薄膜和较厚的rgo薄膜；

7、4)使用丙烯酸膜vhb 4910作为基底膜，将基底膜固定在双轴预拉伸平台上，对水平方向进行预拉伸，对竖直方向进行预拉伸；然后使用干法转移先将较薄的rgo薄膜转移至一张丙烯酸膜vhb 4910基底膜上，再将较厚的rgo薄膜转移至同一张丙烯酸膜vhb 4910基底膜上，转移后两种不同厚度的rgo薄膜之间应紧密贴合，不能出现缝隙；将较薄的rgo薄膜对水平方向进行回缩，将较厚的rgo薄膜对水平方向进行回缩至水平方向初始位置，然后同时对两种不同厚度的rgo薄膜的竖直方向回缩至初始位置，当先后两种不同厚度的rgo薄膜随着基底膜进行不同程度的回缩时，两种不同厚度的rgo薄膜会形成不同的褶皱结构，由此形成厚度-预应变双梯度的rgo微褶皱薄膜；

8、5)将双梯度的rgo微褶皱薄膜两边使用导电银胶来装配铜电极，固化后得到装配好电极的双梯度的rgo微褶皱薄膜；

9、6)使用聚二甲基硅氧烷预聚体和固化剂混合溶液对装配好电极的双梯度的rgo微褶皱薄膜进行封装处理，得到双梯度微褶皱石墨烯基柔性应变传感器。

10、进一步的，上述的制备方法，步骤1)中，所述改善hummers法制备氧化石墨烯go溶液的具体方法包括如下步骤：将20～25ml 98％的浓硫酸置于-1～1℃的冰浴环境中，再将0.8～1.5g天然石墨加入到处于冰浴环境中的浓硫酸中，然后搅拌均匀，在20～30min内分7～8次逐次少量加入5～6g的高锰酸钾并搅拌，搅拌3～4小时后结束冰浴，将溶液放入40～45℃的恒温水浴锅中进行首次加热搅拌40～50min，搅拌速率为900～1000r/min，此过程伴随着冒泡放热，然后将恒温水浴锅再次升温至75～85℃进行第二次加热搅拌，搅拌速率为300～500r/min，在持续搅拌状态下，先分4次加入5～10ml蒸馏水，再分4次加入剩余蒸馏水，总计加入70～90ml蒸馏水，搅拌完成后再次加入60～70ml蒸馏水进行稀释，稀释完成后再加入360～370g 5％的双氧水，观察到溶液呈现金黄色，结束加热搅拌，立即离心并倒掉上清液，用蒸馏水多次洗涤使ph值在5～6。

11、进一步的，上述的制备方法，步骤1)中，所述搅拌时间为25～35min，超声时间为15～20min。

12、进一步的，上述的制备方法，步骤1)中，所述两种不同浓度的go溶液的浓度分别为0.1mg/ml和0.32mg/ml。

13、更进一步的，上述的制备方法，所述步骤2)的具体操作步骤为：将两种不同浓度的go溶液使用抽滤装置进行真空抽滤来获得不同厚度的go薄膜，0.1mg/ml的go溶液抽滤体积为1～2ml，抽滤完成后得到较薄的go薄膜；0.32mg/ml的go溶液抽滤体积为4～5ml，抽滤完成后得到较厚的go薄膜。

14、进一步的，上述的制备方法，步骤3)中，所述还原温度为95～100℃，还原时间为1～1.5h。

15、进一步的，上述的制备方法，步骤4)中，所述基底膜的水平方向预拉伸参数为300％，竖直方向预拉伸参数为200％；较薄的rgo薄膜的水平方向回缩参数为285％～290％；较厚的rgo薄膜的水平方向回缩参数为10％～15％；两种不同厚度的rgo薄膜的竖直方向回缩参数为200％。

16、进一步的，上述的制备方法，步骤5)中，所述固化的条件为：在60℃下固化30min。

17、进一步的，上述的制备方法，所述步骤6)的具体操作步骤为：将按质量比10：1配制好的聚二甲基硅氧烷(pdms)预聚体和固化剂混合溶液用滴管滴在装配好电极的双梯度的rgo微褶皱薄膜上，然后在60℃下固化4h，得到双梯度微褶皱石墨烯基柔性应变传感器。

18、上述任意一项所述的制备方法制备的双梯度微褶皱石墨烯基柔性应变传感器在健康监测、医疗手术、人体交互、电子皮肤、智能工业中的应用。

19、本发明的有益效果是：

20、1、本发明制备的柔性应变传感器是通过应变过程中，不同厚度的rgo薄膜形成的双梯度褶皱会逐渐展开，两种不同厚度的rgo薄膜形成的褶皱结构在展开过程中会产生非协调变化，厚的rgo薄膜由于制备时的水平方向预应变很小，形成的褶皱会在小应变下出现微裂纹，使应变传感器的前期灵敏度很高；而薄的rgo薄膜形成的褶皱由于制备时的水平方向预应变远比厚的rgo薄膜的预应变大，能提供大的应变范围，这两种褶皱结构的相互配合既能获得前期小应变的高灵敏度，又能获得大的应变范围。

21、2、本发明制备的应变传感器仅以rgo为传感层材料，该材料制备简单，成本低廉，使用方便，绿色环保，可以轻易大量制备。

22、3、本发明是使用简易的基底预应变回缩法来制备的双梯度微褶皱结构，制备过程使用的实验仪器简单，工艺稳定。

23、4、本发明制备的柔性应变传感器，信号传输稳定，应用范围广泛，绿色环保安全。

24、5、本发明制备的柔性应变传感器前期灵敏度高，微小的应变也会引起稳定的信号变化，可以适用于各种小应变检测。