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青島大學(xué)Lijun Qu和Mingwei Tian等--用于運(yùn)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的基于激光誘導(dǎo)石墨烯的可穿戴柔性多功能傳感器
       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(dòng)和能量存儲(chǔ)方面具有廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)石墨烯設(shè)計(jì)相比,激光誘導(dǎo)熱解技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn):環(huán)保、可設(shè)計(jì)圖案、卷對卷生產(chǎn)和可控形態(tài)。在這項(xiàng)工作中,我們通過從商用聚酰亞胺(PI)膜上層壓LIG,設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)織物內(nèi)交織,織物膠用作可穿戴傳感器。單個(gè)LIG/PDMS層用作應(yīng)變傳感器,并且設(shè)計(jì)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(jì)的石墨烯織物(IGT)傳感器在排球運(yùn)動(dòng)服中執(zhí)行四項(xiàng)功能,包括排球接收檢測、阻擋對手球員傳球時(shí)手指觸碰犯規(guī)檢測、扣球力測量和球員位置監(jiān)測。廉價(jià)的傳感器可以幫助運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)服的設(shè)計(jì)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。
 
圖3.IGT應(yīng)變傳感器的機(jī)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(gè)周期的動(dòng)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(gè)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(shí)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(jìn)行10,000次循環(huán)的穩(wěn)定性測試。(h)穩(wěn)定性試驗(yàn)圖的放大部分。
 
圖4.IGT壓力傳感器的機(jī)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(fù)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(jìn)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。
 
圖5.應(yīng)變和壓力傳感的微觀結(jié)構(gòu)和高線性機(jī)制的理論研究。(a) 片狀電阻器R1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R2串聯(lián)連接。(c) 平面內(nèi)R1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(dāng) (e) 應(yīng)變?yōu)?0%、(f) 和 ∼40% 時(shí) 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(jī)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)機(jī)理和高線性度的理論分析。(h) 裝卸機(jī)制。(i) IGT 壓力傳感織物上多位點(diǎn)壓制的相關(guān)傳感響應(yīng)。
 
圖6.實(shí)時(shí)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(jìn)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(shí)時(shí)監(jiān)測手腕彎曲。(d)在擊球過程中手腕彎曲時(shí)阻力和反應(yīng)時(shí)間的相對變化。(e)IGT壓力傳感織物陣列在手臂上進(jìn)行排球接收統(tǒng)計(jì)分析。(f) IGT壓力傳感器在被排球打孔時(shí)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(jìn)行污垢檢測。(h) 在阻擋對手球員的擊球時(shí)進(jìn)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。

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