石墨烯是一種新型的二維蜂窩狀碳納米材料，由碳原子按照六邊形進(jìn)行分布。碳碳原子之間以SP2雜化方式結(jié)合在一起，形成了非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最堅硬的材料之一。石墨烯具有較大的比表面積，易于制備，且具有極好的力學(xué)性能和超強(qiáng)的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能，表現(xiàn)出更高的規(guī)范因子，作為一種具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能的新型材料，受到了國內(nèi)外科研工作者的廣泛關(guān)注和研究。石墨烯是一種新型的二維蜂窩狀碳納米材料，由碳原子按照六邊形進(jìn)行分布。碳碳原子之間以SP2雜化方式結(jié)合在一起，形成了非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最堅硬的材料之一。石墨烯具有較大的比表面積，易于制備，且具有極好的力學(xué)性能和超強(qiáng)的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能，表現(xiàn)出更高的規(guī)范因子，作為一種具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能的新型材料，受到了國內(nèi)外科研工作者的廣泛關(guān)注和研究。

石墨烯完整穩(wěn)定的六元環(huán)結(jié)構(gòu)使其具有一定的化學(xué)惰性及疏水性，表面極大的范德華力使其容易發(fā)生團(tuán)聚。而石墨烯的優(yōu)異性能只能在單片層基礎(chǔ)上實現(xiàn)，團(tuán)聚不僅限制了其優(yōu)異性能，而且與聚合物的相容性差，分散不均勻，在一定程度上限制了石墨烯及其復(fù)合材料進(jìn)一步研究與發(fā)展。科學(xué)家們?yōu)榭朔﹫F(tuán)聚做了大量研究，使石墨烯在基體中均勻分散，形成具有優(yōu)良性能的石墨烯增強(qiáng)復(fù)合材料，功能化是解決這些問題的一個有效途徑。石墨烯的功能化不僅改善了其分散性，還賦予了其新的特性，進(jìn)一步擴(kuò)大了它的應(yīng)用范圍，使基于石墨烯材料的傳感器件真正進(jìn)入實用化領(lǐng)域。

傳感器分為柔性傳感器和非柔性傳感器，非柔性傳感器應(yīng)用很廣泛，但是存在很多弊端和局限性，這類傳感器的主要傳感材料是金屬材料和半導(dǎo)體材料，難以應(yīng)用于各種不規(guī)則的表面，阻礙了其更多的可用性。因此，用較低的成本制造更為輕便、柔韌性更好、機(jī)械性能更好的柔性傳感器是大勢所趨。

石墨烯在柔性傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用

一、柔性應(yīng)變傳感器

近年來，從電子皮膚到全身健康監(jiān)測系統(tǒng)的多種應(yīng)用，柔韌可伸縮、可穿戴的各種傳感器引起了人 們的廣泛關(guān)注，特別是具有大延展性、寬傳感范圍和高靈敏度的柔性應(yīng)變傳感器對人體運(yùn)動的全范 圍檢測是理想的。獨(dú)特的單原子結(jié)構(gòu)使石墨烯片易于在垂直于其表面的方向上變形，并提供良好的靈活性。基于石墨烯的柔性應(yīng)變傳感器已得到了廣泛的探索和利用。

有人開發(fā)了一種基于石墨烯涂層的彈簧網(wǎng)狀微結(jié)構(gòu)多功能皮膚狀應(yīng)變傳感器，可監(jiān)測壓力、拉伸、振動和彎曲變形。將rGO片附著在彈性織物上，形成彈簧狀導(dǎo)電網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，兩片導(dǎo)電織物面對面封裝，在織物邊緣以連接銅箔作為電極，構(gòu)成柔性應(yīng)變傳感器。該傳感器表現(xiàn)出72kPa－1的高靈敏度，1.38Pa的低檢測限，以及較大的感應(yīng)范圍，并且可檢測到的最小拉伸應(yīng)變?yōu)?.1％，振幅為10μm。該應(yīng)變傳感器可檢測從微小生理信號到大規(guī)模身體活動。

有人利用rGO制備了一 種具有魚鱗狀石墨烯傳感層的高性能可拉伸柔性應(yīng)變傳感器，如下圖。研究發(fā)現(xiàn)這種魚鱗狀結(jié)構(gòu)為傳感器提供了更寬的傳感范圍（82％應(yīng)變）、高靈敏度（GF＝16.2）、 超低檢測限（＜0.1％應(yīng)變）和優(yōu)異穩(wěn)定性（＞5000次的循環(huán)）。該傳感器制作過程簡單、廉價、節(jié)能，具有良好的組合性能，可用于檢測全范圍的人體運(yùn)動，具有廣闊的應(yīng)用前景。

（基于氧化石墨烯的魚鱗狀柔性應(yīng)變傳感器）

柔性應(yīng)變傳感器因其卓越的觸覺感應(yīng)能力被用于各種場景，柔性可伸縮的傳感設(shè)備具有很大應(yīng)用前景。由于其固有的柔韌性，石墨烯的電性能不會受到機(jī)械應(yīng)力的損害。因此，石墨烯被認(rèn)為是高度可拉伸和柔性傳感器的理想材料。

二、柔性氣敏傳感器

石墨烯是具有潛力的氣體傳感器材料，由于石墨烯的比表面積極大，單個石墨烯薄膜中的所有原子都可以吸附氣體分子，從而形成更大的氣體檢測傳感器區(qū)域。很多基于石墨烯材料的氣體傳感器已經(jīng)得到了廣泛研究及應(yīng)用。有人對石墨烯、織物氣體傳感器進(jìn)行研究，制備了由rGO納米片和靜電紡錦綸6納米纖維組成的柔性NO2氣體傳感器。研究表明，通過將rGO與納米纖維結(jié)合，石墨烯電子織物在室溫下對 NO2表現(xiàn)出靈敏的反應(yīng)。并且NO2濃度越高，氣體傳感器的響應(yīng)越 大。同時，RGO涂層納米纖維網(wǎng)織物（RGPNMF）傳感器還受濕度的影響，當(dāng)相對濕度為80％時，傳感器對NO2的靈敏度是相對濕度為45％時的2倍，認(rèn)為80％的相對濕度為檢測NO2氣體提供了最佳條件。另外，在室溫下研究對各種氣體的響應(yīng)特性，發(fā)現(xiàn)RGPNMF對 NO2具有良好的選擇性，對NO2（13.6%）的響應(yīng)是其他氣體（甲醛、 丙酮、苯和氨）的10倍以上，如下圖所示。這表明基于石墨烯、織物復(fù)合材料的柔性氣體傳感器為實時監(jiān)測有害氣體提供了巨大潛力。

（80%相對濕度下NO2氣體傳感器的氣敏性能）

（傳感器對各氣體的響應(yīng)）

石墨烯的巨大表面積使其對周圍環(huán)境非常敏感，甚至可檢測到單個氣體分子的吸附和釋放。基于石墨烯的柔性氣體傳感器將氣敏薄膜材料置于電極表面，基材也是柔性的，具有質(zhì)量輕、可塑性強(qiáng)、易彎曲等特性，可以大面積制備。這很好地滿足了氣體傳感器在特殊 環(huán)境中的便攜性、低消耗等要求。

三、柔性濕敏傳感器

濕度傳感器廣泛用于人體舒適性和環(huán)境濕度檢測，尤其是在工業(yè)生產(chǎn)、氣象監(jiān)測、農(nóng)業(yè)種植中。石墨烯是一種很有潛力的低維導(dǎo)濕材料，具有電敏感性和超大的比表面積。氧化石墨烯（GO）含有大量的含氧官能團(tuán)，并且具有良好的分散性、親水性。GO可以與水分 子相互作用，并作為濕敏膜，有助于制作濕敏傳感器。

濕度傳感器正在從簡單的濕度傳感元件迅速發(fā)展到集成的、智能的多參數(shù)檢測器。基于石墨烯的柔性濕敏傳感器以低成本、低能 耗、易于制造等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。

四、柔性生物傳感器

基于石墨烯的復(fù)合材料經(jīng)常被用作新型改性材料，以提高生物傳感器的靈敏度。由于石墨烯電極的高靈敏度和低檢測限，功能化的石墨烯復(fù)合材料可用于生物分子檢測和生物傳感器的制作?？赏ㄟ^將聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT∶PSS）、聚合物 3，4－亞乙基二氧噻吩和rGO進(jìn)行復(fù)合，制備一種柔性和高導(dǎo)電的復(fù)合薄膜。采用乙二醇對PEDOT∶PSS處理后，導(dǎo)電率提高約300倍；此外，將rGO摻入經(jīng)溶液處理后的PEDOT∶PSS可改善其電化學(xué)特性。該導(dǎo)電紙生物傳感器成本低、柔韌性好、對環(huán)境友好，已用于癌癥生物標(biāo)記物的檢測。

基于石墨烯材料的柔性生物傳感器種類早已被廣泛開發(fā)。石墨烯已被證明對小生物分子的檢測、 酶的電化學(xué)和電分析等方面極為有用。盡管如此，想要大批量制備和應(yīng)用還需要進(jìn)一步的研究。

研究問題及研究趨勢

對于柔性傳感器更多的是對 它的創(chuàng)新應(yīng)用和對技術(shù)應(yīng)用的顛 覆，應(yīng)用前景非常廣闊，目前國內(nèi)有大部分公司和研究單位在做這方面研究。對于柔性傳感器，柔性材料最大的優(yōu)勢就是能夠測量精準(zhǔn)，而且能夠讓傳感器更加貼合皮膚，能隨時感知和識別肌肉運(yùn)動， 最大程度地避免肌肉運(yùn)動時所產(chǎn)生的測量偏差，能夠測量出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

柔性傳感器一般是將導(dǎo)電填料與有機(jī)彈性體互相混合制備。核心部件為導(dǎo)電薄膜或帶有微結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電薄膜，但這類薄膜大部分不透氣、不透濕，導(dǎo)致其制備的柔性傳感器長期佩戴會產(chǎn)生悶熱和不舒適感，且傳感器的抗菌性也會影響其長期使用效果。因此，實現(xiàn)舒適的可穿戴體驗對于拓展柔性傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域至關(guān)重要。而且所制備的柔性傳感器與可穿戴柔性傳感器仍然存在一定差距，如何將柔性傳感器向可穿戴發(fā)展也是一個需要持續(xù)研究的問題。

由于石墨烯做電池材料的技術(shù)還不成熟，石墨烯在充放電過程中的穩(wěn)定性很差，循環(huán)性能也無法保證，目前基于石墨烯制作的柔性傳感器普遍需要外部供電。設(shè)計可穿戴自供能電子器件有望實現(xiàn)設(shè)備的永久供能，具有重大科學(xué)意義和應(yīng)用前景。目前也有研究團(tuán)隊對此做出了考慮和試驗。當(dāng)前研究自感知功能的柔性傳感器也是熱點(diǎn)， 所謂自感知是指設(shè)備不需要人為干預(yù)就能獨(dú)立運(yùn)行，這種方式在未來具有非常明顯的優(yōu)勢，可以減少人類操作失誤所引起的誤差和運(yùn)行安全問題。這種智能設(shè)備在未來將會有非常大的應(yīng)用前景。另外， 還有關(guān)于自修復(fù)功能類的柔性傳感器，自修復(fù)功能主要包括內(nèi)部自修復(fù)和外部自修復(fù)，即不需要任何觸發(fā)信號或外部刺激就可以進(jìn)行自我修復(fù)。也可將單一功能器件的柔性傳感器多重集合，例如將自供 電功能和自修復(fù)功能集成制備多功能性柔性傳感器等。

基于柔性傳感器的高靈敏度， 其在智能包裝方面也具有巨大的潛在應(yīng)用價值，可以對包裝品在運(yùn)輸、生產(chǎn)過程中的微弱反應(yīng)進(jìn)行及時響應(yīng)，從而反映包裝品內(nèi)外環(huán)境的微弱變化。還有很多新興領(lǐng)域有待發(fā)現(xiàn)和研究。未來，柔性傳感器具有高柔韌性、高靈敏度、便于攜帶、可穿戴、實時性、安全性等優(yōu) 點(diǎn)，這些都是柔性電子的必然趨勢。

·結(jié)語·

石墨烯以其卓越的電、熱、光學(xué)和機(jī)械性能引起世界各地研究人員的興趣。隨著石墨烯的發(fā)展，石墨烯的制備技術(shù)越來越多樣化。然而，石墨烯較大的比表面積使其容易團(tuán)聚，這影響了其吸附能力和優(yōu)良性能，進(jìn)而影響石墨烯增強(qiáng)復(fù)合材料性能的改進(jìn)。經(jīng)過試驗研究發(fā)現(xiàn)，對石墨烯進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓δ芑幚砜梢杂行Ц纳破湫阅?，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。功能化石墨烯是一種可多變設(shè)計的材料，有更多的新興領(lǐng)域等待進(jìn)一步探索和開發(fā)。

石墨烯及其衍生物具有獨(dú)特 的物理化學(xué)性能，基于石墨烯材料的各類柔性傳感器層出不窮。研究發(fā)現(xiàn)，基于石墨烯材料的柔性傳感器具有靈敏度高、成本低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在傳感檢測領(lǐng)域具有極大的優(yōu)勢。隨著日益成熟的生產(chǎn)技術(shù)和更加先進(jìn)的研究方法的發(fā)展， 在各個領(lǐng)域關(guān)于石墨烯的應(yīng)用研 究必定會引起更多關(guān)注。

編輯：黃飛

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