惊！上海交大发布全新碳气凝胶传感器，功能多样化超厉害

成果简介

压阻传感器在健康监测、人机交互、机器人传感等多个领域都备受青睐。开发具有生物相容性、高灵敏度和机械坚固性的工程结构压阻传感器是热门研究领域之一。本文，上海交通大学赵亚平 教授、谭慧君助理研究员等在《Chemical Engineering Journal》期刊发表名为“Engineered structural carbon aerogel based on bacterial Cellulose/Chitosan and graphene Oxide/Graphene for multifunctional piezoresistive sensor”的论文，研究基于静电作用和氢键的协同作用，通过单向冷冻铸造和碳化，用细菌纤维素、壳聚糖、氧化石墨烯和石墨烯构建了一种高性能混合碳气凝胶。

碳气凝胶具有独特的片状和纤维状交替结构，反映了结构良好的 "桥梁 "的稳定性。在这个类比中，层状结构起到了稳定 "大梁 "的作用，而纤维则是不可或缺的 "支撑索"。有序的微观结构有助于均匀的应力传递，从而产生了一种基于碳气凝胶的传感器，它具有很高的压阻线性灵敏度（150 kPa-1）、出色的机械稳定性（3000 次压缩循环）和快速的响应/恢复时间（120/90 ms）。压阻传感器可实时检测人体生理信号，并有效区分细微的不同声音信号，从而实现声音可视化。此外，它还能在极端条件下（200 °C和-196 °C）正常工作。所制备的压阻传感器有望在下一代空间压力监测、可穿戴电子设备和声音可视化等领域得到广泛应用。

图文导读

图1.C-BCGs的制造示意图。

图2.（a）石墨烯和（b）GO的TEM图像，（c）BC纳米纤维的SEM图像，（d）C-BCGs的光学图像，（e）C-BCGs和（f）C-RBCG的横截面SEM图像，（g）FTIR光谱，（h）XRD光谱和（i）GO/G 纳米片，BC/CS框架和C-BCGs的拉曼光谱。

图3：（a）C-BCG3-6 气凝胶在不同应变下的压缩应力-应变曲线；（b）C-BCG3-6 气凝胶的能量损失系数与之前发表的论文；C-BCG3-6 气凝胶在 50%应变下的循环压缩应力-应变曲线，外力（c）垂直于冻结方向，（d）平行于冻结方向。气凝胶的有限元分析，应力（e）垂直于冻结方向，（f）平行于冻结方向。(g) SEM 图像和 (h) C-BCG3-6 内部微观结构示意图。

图4. (a) 压阻传感器和 (b) 压缩机制示意图，(c) C-BCG3-6 传感器的 S，(d) C-BCG3-6 传感器在不同外部压力下的 I-V 曲线，(e) C-BCG3-6 传感器在不同变形下的 I-t 曲线，(f) C-BCG3-6 传感器的响应时间和恢复时间，以及 (g) C-BCG3-6 传感器在 50%应变下 3000 次循环的抗疲劳性。

图5. (a) 不同压力下 LED 亮度的变化，(b) 高温和 (c) 低温下的稳定响应。(d) 表示不同单词的莫尔斯电码信号，(e) 基于蓝牙模块的莫尔斯电码测试原理图，(f) 肘部弯曲信号，(g) 手指不同弯曲角度信号，以及 (h) 缓慢吹气和快速吹气信号。

图6：(a) 实验设备示意图；(b-d) 不同英文引文的识别曲线；(e-h) 不同自然声音（风声、雷雨声、狗叫声和青蛙呱呱声）的识别曲线；(i) 整架钢琴的音乐视觉效果；(j) 不同章节的声谱和电流谱对比。

小结

综上所述，我们从工程力学原理中汲取灵感，以GO/G纳米片为导电填料，以BC纳米纤维为骨架，以CS颗粒为增强粘结剂，通过单向冷冻铸造和碳化工艺制备了各向异性的C-BCG3-6。与传统的气凝胶不同，C-BCG3-6 利用多维混合材料的优势，具有类似桥梁中 "大梁 "和 "钢索 "的稳定微观结构。这种特殊的片状和纤维状有序交替的微观结构可促进稳定的应力传递，从而在保持高传感性能的同时，获得优异的机械性能。

基于 C-BCG3-6 的压阻传感器在 0-6.80 kPa 的压力范围内具有高线性灵敏度（150 kPa-1）、快速响应/恢复时间（120/90 ms）和出色的再现性（3000 次循环）。凭借这些特点，该传感器能对压力-电能相互转换做出出色的实时响应，在极端环境下也能很好地工作，并能监测人体的各种运动。此外，该传感器还能很好地识别和转换环境声信号，即使信号很弱，传感器的输出响应曲线也与原始声谱高度一致。基于各向异性 C-BCG3-6 的压阻传感器有望在人机交互、可穿戴设备、智能传感等领域拥有广阔的应用前景。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147825