基于紡織基材的柔性應(yīng)變傳感器具有天然的柔韌性、高靈敏度和寬范圍的拉伸響應(yīng)。然而，紡織品復(fù)雜且各向異性的子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致負(fù)差分電阻 (NDR) 響應(yīng)，缺乏對機(jī)制的更深入了解。因此，我們檢測了具有顯著 NDR 拉伸響應(yīng)的石墨烯紡織應(yīng)變傳感器，為機(jī)理研究提供了必要的研究平臺。單纖維束的開創(chuàng)性測量證實(shí)了 NDR 效應(yīng)在亞幾何尺度上的存在。基于拉伸形態(tài)和測量的原位表征，我們進(jìn)行了定量行為分析，全面揭示了全范圍拉伸電響應(yīng)的起源。結(jié)果表明，產(chǎn)生 NDR 效應(yīng)的主要因素是織物束內(nèi)纖維的相對位移。基于神經(jīng)尖峰樣拉伸響應(yīng)，我們進(jìn)一步展示了紡織品應(yīng)變傳感器在閾值檢測和近傳感器信號處理中的應(yīng)用潛力。所提出的NDR行為模型將為可穿戴智能紡織品的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。
Figure 1. 石墨烯織物應(yīng)變傳感器的形態(tài)組成和典型拉伸響應(yīng)。(a) 典型緯編紡織品的示意圖。單纖維束在外部和內(nèi)部都涂有石墨烯納米片。(b) 通過掃描電子顯微鏡觀察紡織品應(yīng)變傳感器的表面形貌。比例尺代表 500μm。(c) 紡織品表面的示意性垂直視圖，注釋顯示纖維束細(xì)胞電阻的三個(gè)組成部分：X方向纖維束R x、Y方向纖維束R y和X - Y接觸部分，RC _. (d) 基于石墨烯的紡織應(yīng)變傳感器的典型負(fù)微分電阻拉伸響應(yīng)。相對應(yīng)變?yōu)?0–30% 的紡織品傳感器不同于通常的正電阻變化傳感器。將傳感器的測量幅度標(biāo)準(zhǔn)化為初始值。
Figure 2. 基于石墨烯的紡織應(yīng)變傳感器的性能。(a) 完整的抗拉響應(yīng)，可分為三個(gè)階段，表現(xiàn)出廣泛的敏感性。(b) 不同機(jī)構(gòu)張力傳感器的性能比較。(16−18,29−33)顏色塊代表基于石墨烯的傳感器的響應(yīng)范圍。(c 和 d) 傳感器在X方向和Y方向的 3000 次拉伸載荷循環(huán)下的性能。（e 和 f）分別具有X方向和Y方向拉伸的放大循環(huán)。（g 和 h）5 個(gè)設(shè)備在 20% 相對應(yīng)變下的歸一化平均響應(yīng)和誤差條。
Figure 3. 紡織行為模型及拉伸模擬結(jié)果。(a和b)載荷應(yīng)力下織物結(jié)構(gòu)沿X方向變形的俯視圖。插圖比例尺，500μm。(c) 相鄰纖維束在X方向加載張力下的相對變形的機(jī)械模擬。(d和e)載荷應(yīng)力下織物結(jié)構(gòu)沿Y方向變形的俯視圖。插圖比例尺，500μm。(f) Y軸下相鄰纖維束相對變形的力學(xué)模擬-方向加載張力。(g) 橫向加載張力下單根纖維束相對變形的力學(xué)模擬。(h) 單根纖維束和模型擬合的拉伸試驗(yàn)。由于單根纖維束的拉伸余量較小，當(dāng)相對應(yīng)變達(dá)到25.38%時(shí)纖維束完全斷裂。(i-l) 分別為X負(fù)載X電阻、X負(fù)載Y電阻、Y負(fù)載Y電阻和Y負(fù)載X電阻的拉伸響應(yīng)。
Figure 4. 紡織應(yīng)變傳感器的應(yīng)用場景。(a) 拉伸響應(yīng)的說明。在初始狀態(tài)下，外部應(yīng)變刺激形成一個(gè)由階段 I 和 II 組成的峰值 (φ)。當(dāng)應(yīng)變超過閾值 (κ) 時(shí)，將出現(xiàn)一個(gè)后電位峰值。整個(gè)反應(yīng)具有類似神經(jīng)尖峰的波形，如插圖所示。(b) 在低于閾值的應(yīng)變下的循環(huán)響應(yīng)。(c) 在高于閾值的應(yīng)變下的循環(huán)響應(yīng)。(d) 實(shí)驗(yàn)部署地點(diǎn)概覽。(e-g) 分別在喉部、肘部和手指關(guān)節(jié)處測量的波形。可以看出，紡織傳感器在實(shí)際應(yīng)用中對不同的應(yīng)變敏感。(h) 近傳感器信號放大器示意圖。具有負(fù)微分電阻的基于石墨烯的紡織應(yīng)變傳感器 -r和具有正電阻變化R的基于石墨烯的 PDMS 應(yīng)變傳感器可以由交流信號放大器組成。
相關(guān)研究工作由清華大學(xué)Tian-Ling Ren課題組于2022年在線發(fā)表于《ACS Nano》期刊上，原文：Understanding the Origin of Tensile Response in a Graphene Textile Strain Sensor with Negative Differential Resistance。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
