銅納米線（CuNWs）是一種高導(dǎo)電性、低成本的納米結(jié)構(gòu)，常用于構(gòu)建壓阻式壓力傳感器。合理設(shè)計(jì)和可控制造是實(shí)現(xiàn)高性能CuNW傳感器的關(guān)鍵步驟，同時必須抑制CuNWs的氧化傾向。導(dǎo)電柔性CuNW@石墨烯（CuNW@G）核殼氣凝膠通過簡單的組裝和熱退火制備得到，其微觀結(jié)構(gòu)可調(diào)。通過改變初始CuNW分散濃度，可相應(yīng)調(diào)節(jié)氣凝膠的體積密度，表面潤濕性，楊氏模量和電導(dǎo)率。其中，該核-殼氣凝膠在較高的CuNW濃度下可由疏水性轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷裕瑫r水的粘附性降低。在研究的CuNW分散濃度范圍內(nèi)，所制備的石墨烯殼的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)幾乎相同，氣凝膠的抗氧化穩(wěn)定性亦是如此。基于核-殼氣凝膠的壓阻特性，研究了偏置電壓為0.1 V的柔性壓力傳感器，該傳感器能檢測到低至640 Pa的壓縮應(yīng)力，響應(yīng)時間短于16 ms。此外，聚二甲基硅氧烷包裹的CuNW@G氣凝膠反應(yīng)增強(qiáng)，可逆性更高。本文提出了一種研制性能穩(wěn)定、成本低廉的氣凝膠型壓阻式壓力傳感器的通用策略。
Figure 1. 制備可調(diào)CuNW@G核殼氣凝膠。a)氣凝膠制備工藝示意圖，包括凍干、熱退火和濃度調(diào)節(jié)三部分。b)四種氣凝膠的密度、電導(dǎo)率和楊氏模量。c)氣凝膠在10%、20%、30%、40%和50%應(yīng)變下的最大應(yīng)力。d)四種氣凝膠中石墨烯外層的平均厚度。
Figure 2. 可調(diào)氣凝膠的表面潤濕性。a)CuNW@G氣凝膠漂浮在水與空氣界面上方的照片。b) 50µL水滴停留在氣凝膠表面。c)“c”、“2c”、“4c”、“8c”氣凝膠的靜態(tài)接觸角。d)“8c”氣凝膠的接觸與分離過程。e)傾斜角度為25℃的“4c”氣凝膠的動態(tài)滾脫試驗(yàn)。
Figure 3. 可調(diào) CuNW@G 核殼氣凝膠的結(jié)構(gòu)表征。“c”、“2c”、“4c”、“8c”氣凝膠的a)XRD圖、b)拉曼光譜、c)高分辨率XPS光譜(c1s峰)。d)當(dāng)在空氣中儲存30天時監(jiān)測這四種氣凝膠的電導(dǎo)率，插圖是在空氣中儲存30天后“8c”氣凝膠的SEM圖。
Figure 4. 可調(diào)CuNW@G核殼氣凝膠的壓力傳感性能。a)氣凝膠壓力傳感機(jī)理示意圖。b)在10%、20%、30%應(yīng)變下壓縮的“4c”氣凝膠的動態(tài)響應(yīng)。c)“4c”氣凝膠在20%應(yīng)變下壓縮時，隨外加應(yīng)力的時間分辨響應(yīng)。d)四種氣凝膠的壓力響應(yīng)曲線，插圖是(d)從0到750 Pa的放大圖。
Figure 5. CuNW@G-PDMS復(fù)合氣凝膠的壓力傳感性能。a)支持和不支持PDMS的氣凝膠楊氏模量的比較。b)在10%應(yīng)變下壓縮的“c”復(fù)合氣凝膠的動力響應(yīng)。c)這些復(fù)合氣凝膠在10%和20%壓縮應(yīng)變下的最大ΔI/ I
0對比度。d)含PDMS和不含PDMS的“4c”氣凝膠在10%和20%壓縮應(yīng)變下的動態(tài)響應(yīng)。e)復(fù)合氣凝膠壓力傳感機(jī)理示意圖。f)“8c”復(fù)合氣凝膠的壓力響應(yīng)曲線。g) 10%壓縮應(yīng)變下，“8c”復(fù)合氣凝膠在1000次加載和卸載循環(huán)中可逆電流變化。插圖顯示電流變化在342-348周期。h)“8c”復(fù)合氣凝膠第1、1000次循環(huán)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
相關(guān)研究成果于2019年由北京大學(xué)Anyuan Cao課題組，發(fā)表在Adv. Mater. Technol.（DOI: 10.1002/admt.201900470）上。原文：Hydrophobic, Structure-Tunable Cu Nanowire@Graphene Core-Shell Aerogels for Piezoresistive Pressure Sensing
