最近，將多種聚合物襯底轉(zhuǎn)換為激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）已成為制造圖案化石墨烯基可穿戴電子器件的單一步驟方法，在傳感、驅(qū)動和能量存儲方面具有廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)石墨烯設(shè)計相比，激光誘導(dǎo)熱解技術(shù)具有許多優(yōu)點：環(huán)保、可設(shè)計圖案、卷對卷生產(chǎn)和可控形態(tài)。在這項工作中，我們通過從商用聚酰亞胺（PI）膜上層壓LIG，設(shè)計了可穿戴的柔性石墨烯基應(yīng)變和壓力傳感器。將制備的LIG轉(zhuǎn)移到薄的聚二甲基硅氧烷（PDMS）片材上，該片材在彈性棉運動織物內(nèi)交織，織物膠用作可穿戴傳感器。單個LIG/PDMS層用作應(yīng)變傳感器，并且設(shè)計了兩層LIG/PDS（x和y激光定向膜）的垂直堆疊用于壓力傳感。這一新設(shè)計的石墨烯織物（IGT）傳感器在排球運動服中執(zhí)行四項功能，包括排球接收檢測、阻擋對手球員傳球時手指觸碰犯規(guī)檢測、扣球力測量和球員位置監(jiān)測。廉價的傳感器可以幫助運動員訓(xùn)練，并幫助教練制定比賽策略。
圖1.通過激光誘導(dǎo)熱解技術(shù)制造LIG圖案的示意圖，以及排球運動服的設(shè)計應(yīng)變和壓力傳感器。
圖2.掃描電鏡、拉曼光譜和 XPS 的示意圖。（a） LIG/PI膠片的SEM圖像。（b） LIG/PDMS的誘導(dǎo)石墨烯線。（c） LIG/PDMS的橫截面圖。（d） IGT傳感器的拉曼光譜。（e） XPS對LIG和聚酰亞胺薄膜（PI）的調(diào)查比較。（f） LIG/PI和LIG/PDMS的C 1s XPS頻譜。
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圖3.IGT應(yīng)變傳感器的機械和電氣性能測試。（a）IGT傳感器電阻的相對變化與應(yīng)變變化的響應(yīng)，拉伸速率為140毫米/分鐘。（b）在10%（46毫米/分鐘）、40%（154毫米/分鐘）、60%（290毫米/分鐘）、80%（336毫米/分鐘）和100%（476毫米/分鐘）的重復(fù)應(yīng)變下15個周期的動態(tài)響應(yīng)。（c）在5%（8毫米/分鐘）、10%（15毫米/分鐘）、20%（24毫米/分鐘）、40%（42毫米/分鐘）、60%（82毫米/分鐘）、80%（102毫米/分鐘）和100%（116毫米/分鐘）的應(yīng)變下，電阻相對變化隨梯度增加的響應(yīng)，持續(xù)10個循環(huán)，（d）和速度為60、120、270和540毫米/分鐘。 （e） 應(yīng)變階梯增加和減少時的拉伸性和可恢復(fù)性。（f）檢測限低于1%菌株。（g）在50%應(yīng)變下以750毫米/分鐘的速度進行10，000次循環(huán)的穩(wěn)定性測試。（h）穩(wěn)定性試驗圖的放大部分。
圖4.IGT壓力傳感器的機械和電氣性能測試。（a） 相對阻力與壓力的關(guān)系從0到220 kPa的變化。（b） 在10、20、30、100和220 kPa的不同負載壓力下相對電阻變化的響應(yīng)。（c） 0.05、0.1、0.2 和 0.4 Hz 不同頻率下的相對電阻變化。（d）在 5.68 Pa 的裝卸壓力下相對電阻變化的響應(yīng)。（e）傳感器在 30 kPa 下進行 10，000 次循環(huán)的穩(wěn)定性測試包括測試結(jié)果的放大部分作為插圖。
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圖5.應(yīng)變和壓力傳感的微觀結(jié)構(gòu)和高線性機制的理論研究。（a） 片狀電阻器R
1可以描述基于LIG的器件的非線性拉伸電阻和等效電路。（b） R1與非線性拉伸阻力R
2串聯(lián)連接。（c） 平面內(nèi)R
1阻力隨拉伸速率線性增加。（d） 幾條線N和應(yīng)變變化期間尺寸S的平均變化。當 （e） 應(yīng)變?yōu)?0%、（f） 和 ∼40% 時 IGT 應(yīng)變裝置的 SEM 圖像。（g） IGT壓力傳感器具有面內(nèi)和面間電阻機構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)機理和高線性度的理論分析。（h） 裝卸機制。（i） IGT 壓力傳感織物上多位點壓制的相關(guān)傳感響應(yīng)。
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圖6.實時球員位置、扣球效果、排球接球測試監(jiān)控、手指觸球犯規(guī)檢測。（a）IGT應(yīng)變傳感器在排球訓(xùn)練期間通過膝蓋支架進行位置測量。（b）IGT 應(yīng)變傳感器的拉伸傳感響應(yīng)，膝關(guān)節(jié)彎曲 30°、90° 和 120°。（c） IGT應(yīng)變傳感器經(jīng)受手臂關(guān)節(jié)的約束，以實時監(jiān)測手腕彎曲。（d）在擊球過程中手腕彎曲時阻力和反應(yīng)時間的相對變化。（e）IGT壓力傳感織物陣列在手臂上進行排球接收統(tǒng)計分析。（f） IGT壓力傳感器在被排球打孔時的壓力感應(yīng)反應(yīng)，用于接收速度監(jiān)測。（g）IGT壓力傳感織物陣列在手指上進行污垢檢測。（h） 在阻擋對手球員的擊球時進行手指觸摸犯規(guī)檢測。
相關(guān)研究成果由青島大學(xué)Lijun Qu和Mingwei Tian等人2022年發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (https://doi.org/10.1021/acsami.2c14847)上。原文：Wearable and Flexible Multifunctional Sensor Based on Laser-Induced Graphene for the Sports Monitoring System。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
