一種石墨烯基表面應變傳感器的制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種石墨烯基表面應變傳感器的制備方法，包括以下步驟：(1)配制氧化石墨烯分散液；(2)將氧化石墨烯分散液噴射在基板上，形成氧化石墨烯薄膜；(3)對氧化石墨烯薄膜進行化學還原或紫外光照射，形成石墨烯薄膜；(4)在石墨烯薄膜的兩端，用導電膠接入兩根銅電極，在兩電極間連接歐姆表；(5)在石墨烯薄膜上繼續噴涂或刷涂高分子溶液，形成高分子乳膠膜。與現有技術相比，本發明通過噴涂制備氧化石墨烯基薄膜，再利用一定的手段進行還原，最終制備了石墨烯基表面應變傳感器。該過程因操作簡單，價格低廉，且適于大規模制備，有望應用于建筑結構的健康監測。
【專利說明】一種石墨烯基表面應變傳感器的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種石墨烯基表面應變傳感器的制備方法，屬于功能薄膜【技術領域】。
【背景技術】
[0002]石墨烯具有良好的透過率，理論計算和實驗結果均表明，其透光率為97.7 %。石墨烯內的每個碳原予以Sp2雜化軌道的方式(σ鍵)與其他3個碳原子相連接，極強的C-C鍵使得石墨烯片層具有優異的力學性能。剩余的一個P電子軌道垂直于石墨烯平面，與周圍的碳原子形成離域的η鍵，致使電子可在晶體中自由移動，賦予了石墨烯良好的電性能。其電子遷移率可達2X 15Cm2/(V *s)，是室溫下導電性最佳的材料。石墨烯基薄膜在拉伸過程中，其結構發生變形，并且在結構變形過程中其電阻的變化和應變存在相應的線性關系，決定了石墨稀可應用在表面傳感領域。
[0003]目前國內外在制備石墨烯基表面應變傳感器上主要有2種方法，一種是基于CVD法制備石墨烯基表面應變傳感器。2012年，Li利用CVD法在銅片上制備了石墨烯網，并將其轉移到聚二甲基硅氧烷上，最終制備了石墨烯表面應變傳感器，其傳感性能在2?6%的應變范圍內，靈敏度可達103。其突出的優點就是靈敏度較高，但CVD法也存在突出的局限性，主要表現在制造成本較高，制備工藝較為復雜，很難大規模應用。
[0004]另一種是利用石墨稀與聞分子物質進彳了共混制備石墨稀基表面應變傳感器。2011年,Eswaraiah首先制備了氧化石墨烯，在經熱還原，制備還原氧化石墨烯。以N_N_ 二甲基乙酰胺為溶劑將其與聚偏氟乙烯共混，制備了石墨烯基傳感器。研究表明當還原氧化石墨烯的含量為2% (質量分數)時，傳感性能最佳。2012年，Eswaraiah又將還原氧化石墨烯與聚偏氟乙烯共混，利用聚光鏡對其進行加熱，實現二者的共混，制備了石墨烯基傳感器，其結果表明當還原氧化石墨烯的含量為2% (質量分數)時，靈敏度可達12。這種方法也存在著突出的局限性，因高分子物質熔點高，粘度大，石墨烯與高分子物質共混過程較為困難，而且沒能有很好的手段進行規模化放大，同樣面臨著較大的局限性。
[0005]中國專利CN 102506693 A公布了一種基于石墨烯的應變測量或運動傳感裝置，它是在柔性絕緣的基底上結合有一層或多層石墨烯薄膜層，石墨烯薄膜層的兩端以電極引出并連接歐姆計，將一個該裝置緊密結合于被測物體表面，或將多個該裝置緊密結合于被測物體表面即可測量其應變變化或進行運動監測。該發明裝置，制備方法簡單，適合于表面貼裝等大規模生產，可用于多種環境和變形表面；特別是對被測物體影響小，可以做到無感測量，適合生物運動監測。但是該專利中石墨烯是通過沉積法得到的，其制造成本較高，制備工藝較為復雜。而且該方法受到氣氛爐腔體大小的限制，很難制備面積較大的薄膜，無法滿足一些面積較大結構的健康檢測(如:玻璃幕墻、混泥土結構等)。
【發明內容】
[0006]本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種石墨烯基表面應變傳感器的制備方法。
[0007]本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:
[0008]一種石墨烯基表面應變傳感器的制備方法，該方法包括以下步驟:
[0009](I)配制氧化石墨烯分散液；
[0010](2)將氧化石墨烯分散液噴射在基板上，形成氧化石墨烯薄膜；
[0011](3)對氧化石墨烯薄膜進行化學還原或紫外光照射，形成石墨烯薄膜；
[0012](4)在石墨烯薄膜的兩端，用導電膠接入兩根銅電極，在兩電極間連接歐姆表；
[0013](5)在石墨烯薄膜上繼續噴涂或刷涂高分子溶液，形成高分子乳膠膜。
[0014]作為優選，所述的氧化石墨烯分散液中含有納米級二氧化鈦，其中氧化石墨烯與二氧化鈦的重量比為1: 2?2:1。
[0015]作為優選，所述的氧化石墨烯分散液中含有增強導電材料與納米級二氧化鈦，其中石墨烯與增強導電材料的重量比為3:1?8: 1，氧化石墨烯與二氧化鈦的重量比為1: 2 ?2:1。
[0016]作為優選，所述的增強導電材料為碳納米管或金屬納米線。
[0017]作為優選，所述的石墨烯薄膜為石墨烯/ 二氧化鈦復合薄膜，其中石墨烯與二氧化鈦的重量比為1: 2?2: I。
[0018]作為優選，所述的石墨烯薄膜為石墨烯/增強導電材料/ 二氧化鈦復合薄膜，其中石墨烯與增強導電材料的重量比為3:1?8: 1，氧化石墨烯與二氧化鈦的重量比為1: 2 ?2:1。
[0019]作為優選，所述的基板為聚四氟乙烯基板或硅膠基板，所述的高分子乳膠膜為苯丙乳膠膜或丙烯酸膜或一些耐水透明漆等。
[0020]作為優選,所述的基板可以是一些建筑鋼結構，混泥土結構，玻璃幕墻等建筑結構，所述的石墨烯薄膜的厚度為2nm-20nm,所述的高分子乳膠膜的厚度為0.lum-lmm。
[0021]作為優選，所述的化學還原包括HI酸還原或水合肼還原。
[0022]石墨稀基表面應變傳感器的傳感原理如下:石墨稀基薄I吳在拉伸過程中，石墨稀片層之間發生相對滑移，使得片層與片層之間接觸面積減少，進而增大片層與片層之間的接觸電阻。本發明制備的石墨烯基表面應變傳感器有望應用于一些建筑結構的健康監測。
[0023]與現有技術相比，本發明制備了氧化石墨烯分散液，通過噴涂制備氧化石墨烯基薄膜，再利用一定的手段進行還原，有效的降低了成本問題，最終制備了石墨烯基表面應變傳感器。該過程因操作簡單，價格低廉，且適于大規模制備，可在施工現場進行操作。由于采用噴涂的技術手段，其薄膜的面積可以滿足一些大型結構的檢測需要。本發明具有如下優點:
[0024](I)以氧化石墨烯為原料，而且制備傳感器的過程中無苛刻要求，其制造成本較低。
[0025](2)基于噴涂法制備石墨烯基表面應變傳感器，可適當進行放大進行工程化應用。
[0026](3)該方法以乙醇或水/乙醇為溶劑，可在一些親水或非親水基板上進行直接成膜，具有更大的使用空間。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1為實施例1噴涂所制備薄膜的AFM圖；
[0028]圖2為實施例1噴涂所制備薄膜的AFM圖；
[0029]圖3為實施例1噴涂所制備薄膜的SEM圖；
[0030]圖4為實施例1噴涂所制備薄膜的SEM圖；
[0031]圖5為實施例1中所制備薄膜的應變-電阻曲線；
[0032]圖6為實施例3中氧化石墨烯薄膜/碳納米管/ 二氧化鈦復合薄膜SEM圖；
[0033]圖7為實施例3中氧化石墨烯薄膜/碳納米管/ 二氧化鈦復合薄膜SEM圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0035]實施例1
[0036]取lmg/ml氧化石墨烯溶液50ml，向其中加入250ml乙醇。在水/乙醇溶液中制備了穩定分散的氧化石墨烯分散液。超聲片刻，取6ml均勻溶液加入到噴筆噴壺里。將聚四氟乙烯基板進行清洗，隨后烘干，放入加熱臺上升溫到100°C。此時利用聯有氣泵的噴筆將上述溶液噴射在面積為2X10cm的聚四氟乙烯基板上，噴射距離為5cm左右。制備了氧化石墨烯薄膜(如圖1?圖4所示)，再利用HI酸對薄膜進行還原，形成石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜的兩端，用導電膠接入兩根銅電極，在兩電極間連接歐姆表；然后在石墨烯薄膜上繼續噴涂一層苯丙乳液，形成高分子乳膠膜，即得到石墨烯基表面應變傳感器。待乳液薄膜干燥后對其進行傳感性能測試。進行拉伸試驗其中拉伸速度:2mm/min，傳感性能曲線如圖5所示。
[0037]實施例2
[0038]以乙醇溶液為分散介質，制備0.2mg/ml的氧化石墨烯溶液。超聲片刻,取6ml均勻溶液加入到噴筆噴壺里。將硅膠基板進行清洗，隨后烘干。此時利用聯有氣泵的噴筆將上述溶液噴射在面積為2X10cm的硅膠基板上，噴射距離為5cm左右。制備了氧化石墨烯薄膜，再利用HI酸對薄膜進行還原形成石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜的兩端，用導電膠接入兩根銅電極，在兩電極間連接歐姆表；然后噴涂一層苯丙乳液。待乳液薄膜干燥后進行傳感性能測試。
[0039]其中，靈敏度指標Gauge factor (GF)約為5左右(GF = (R-R0) /Rtl ε，其中R表示變形前電阻、Rtl表示變形后電阻、ε表示應變)。
[0040]實施例3
[0041]以乙醇溶液為分散介質，制備0.2mg/ml的氧化石墨烯溶液。向其中加入碳納米管，使氧化石墨烯:碳納米管的質量比為5: 1，超聲30min后，取6ml該溶液，在向其中加入0.5mg/ml的二氧化鈦溶液(粒徑:5nm，銳鈦礦)2ml。此時利用聯有氣泵的噴筆將上述溶液噴射在面積為2X10cm的聚四氟乙烯基板上，噴射距離為5cm左右。制備了氧化石墨烯薄膜/碳納米管/ 二氧化鈦復合薄膜(如圖6、圖7所示)。在紫外光下照射10h，(其中紫外燈為175W，樣品距離燈管距離為15cm)進行還原，形成石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜的兩端，用導電膠接入兩根銅電極，在兩電極間連接歐姆表；然后噴涂一層苯丙乳液。待乳液薄膜干燥后進行傳感性能測試。
[0042]其中，靈敏度指標Gauge factor (GF)約為5左右(GF = (R-R0) /Rtl ε，其中R表示變形前電阻、Rtl表示變形后電阻、ε表示應變)。
[0043]上述的對實施例的描述是為便于該【技術領域】的普通技術人員能理解和使用發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限于上述實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，不脫離本發明范疇所做出的改進和修改都應該在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種石墨烯基表面應變傳感器的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: (1)配制氧化石墨烯分散液； (2)將氧化石墨烯分散液噴射在基板上，形成氧化石墨烯薄膜； (3)對氧化石墨烯薄膜進行化學還原或紫外光照射，形成石墨烯薄膜； (4)在石墨烯薄膜的兩端，用導電膠接入兩根銅電極，在兩電極間連接歐姆表； (5)在石墨烯薄膜上繼續噴涂或刷涂高分子溶液，形成高分子乳膠膜。
2.根據權利要求1所述的一種石墨烯基表面應變傳感器的制備方法，其特征在于，所述的氧化石墨烯分散液中含有納米級二氧化鈦，其中氧化石墨烯與二氧化鈦的重量比為1: 2 ?2:1。
3.根據權利要求2所述的一種石墨烯基表面應變傳感器的制備方法，其特征在于，所述的氧化石墨烯分散液中含有增強導電材料與納米級二氧化鈦，其中石墨烯與增強導電材料的重量比為3:1?8: 1，氧化石墨烯與二氧化鈦的重量比為1: 2?2:1。
4.根據權利要求3所述的一種石墨烯基表面應變傳感器的制備方法，其特征在于，所述的增強導電材料為碳納米管或金屬納米線。
5.根據權利要求2所述的一種石墨烯基表面應變傳感器的制備方法，其特征在于，所述的石墨烯薄膜為石墨烯/ 二氧化鈦復合薄膜，其中石墨烯與二氧化鈦的重量比為1: 2 ?2:1。
6.根據權利要求5所述的一種石墨烯基表面應變傳感器的制備方法，其特征在于，所述的石墨烯薄膜為石墨烯/增強導電材料/ 二氧化鈦復合薄膜，其中石墨烯與增強導電材料的重量比為3:1?8: 1，氧化石墨烯與二氧化鈦的重量比為1: 2?2:1。
7.根據權利要求1所述的一種石墨烯基表面應變傳感器的制備方法，其特征在于，所述的基板為聚四氟乙烯基板或硅膠基板，所述的高分子乳膠膜為苯丙乳膠膜或丙烯酸膜。
8.根據權利要求1所述的一種石墨烯基表面應變傳感器的制備方法，其特征在于，所述的石墨烯薄膜的厚度為2nm-20nm,所述的高分子乳膠膜的厚度為0.lum-lmm。
9.根據權利要求1所述的一種石墨烯基表面應變傳感器的制備方法，其特征在于，所述的化學還原包括HI酸還原或水合肼還原。
【文檔編號】G01B7/16GK104406513SQ201410593937
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月29日 優先權日:2014年10月29日
【發明者】張東, 李秀強 申請人:同濟大學