石墨烯在柔性传感器领域的应用有哪些

石墨烯是一种新型的二维蜂窝状碳纳米材料，由碳原子按照六边形进行分布。碳碳原子之间以SP2杂化方式结合在一起，形成了非常稳定的结构，是迄今为止发现的最坚硬的材料之一。石墨烯具有较大的比表面积，易于制备，且具有极好的力学性能和超强的导热、导电性能，表现出更高的规范因子，作为一种具有独特结构和优异性能的新型材料，受到了国内外科研工作者的广泛关注和研究。石墨烯是一种新型的二维蜂窝状碳纳米材料，由碳原子按照六边形进行分布。碳碳原子之间以SP2杂化方式结合在一起，形成了非常稳定的结构，是迄今为止发现的最坚硬的材料之一。石墨烯具有较大的比表面积，易于制备，且具有极好的力学性能和超强的导热、导电性能，表现出更高的规范因子，作为一种具有独特结构和优异性能的新型材料，受到了国内外科研工作者的广泛关注和研究。

石墨烯完整稳定的六元环结构使其具有一定的化学惰性及疏水性，表面极大的范德华力使其容易发生团聚。而石墨烯的优异性能只能在单片层基础上实现，团聚不仅限制了其优异性能，而且与聚合物的相容性差，分散不均匀，在一定程度上限制了石墨烯及其复合材料进一步研究与发展。科学家们为克服石墨烯团聚做了大量研究，使石墨烯在基体中均匀分散，形成具有优良性能的石墨烯增强复合材料，功能化是解决这些问题的一个有效途径。石墨烯的功能化不仅改善了其分散性，还赋予了其新的特性，进一步扩大了它的应用范围，使基于石墨烯材料的传感器件真正进入实用化领域。

传感器分为柔性传感器和非柔性传感器，非柔性传感器应用很广泛，但是存在很多弊端和局限性，这类传感器的主要传感材料是金属材料和半导体材料，难以应用于各种不规则的表面，阻碍了其更多的可用性。因此，用较低的成本制造更为轻便、柔韧性更好、机械性能更好的柔性传感器是大势所趋。

石墨烯在柔性传感器领域的应用

一、柔性应变传感器

近年来，从电子皮肤到全身健康监测系统的多种应用，柔韧可伸缩、可穿戴的各种传感器引起了人 们的广泛关注，特别是具有大延展性、宽传感范围和高灵敏度的柔性应变传感器对人体运动的全范 围检测是理想的。独特的单原子结构使石墨烯片易于在垂直于其表面的方向上变形，并提供良好的灵活性。基于石墨烯的柔性应变传感器已得到了广泛的探索和利用。

有人开发了一种基于石墨烯涂层的弹簧网状微结构多功能皮肤状应变传感器，可监测压力、拉伸、振动和弯曲变形。将rGO片附着在弹性织物上，形成弹簧状导电网状网络，两片导电织物面对面封装，在织物边缘以连接铜箔作为电极，构成柔性应变传感器。该传感器表现出72kPa－1的高灵敏度，1.38Pa的低检测限，以及较大的感应范围，并且可检测到的最小拉伸应变为0.1％，振幅为10μm。该应变传感器可检测从微小生理信号到大规模身体活动。

有人利用rGO制备了一 种具有鱼鳞状石墨烯传感层的高性能可拉伸柔性应变传感器，如下图。研究发现这种鱼鳞状结构为传感器提供了更宽的传感范围（82％应变）、高灵敏度（GF＝16.2）、 超低检测限（＜0.1％应变）和优异稳定性（＞5000次的循环）。该传感器制作过程简单、廉价、节能，具有良好的组合性能，可用于检测全范围的人体运动，具有广阔的应用前景。

（基于氧化石墨烯的鱼鳞状柔性应变传感器）

柔性应变传感器因其卓越的触觉感应能力被用于各种场景，柔性可伸缩的传感设备具有很大应用前景。由于其固有的柔韧性，石墨烯的电性能不会受到机械应力的损害。因此，石墨烯被认为是高度可拉伸和柔性传感器的理想材料。

二、柔性气敏传感器

石墨烯是具有潜力的气体传感器材料，由于石墨烯的比表面积极大，单个石墨烯薄膜中的所有原子都可以吸附气体分子，从而形成更大的气体检测传感器区域。很多基于石墨烯材料的气体传感器已经得到了广泛研究及应用。有人对石墨烯、织物气体传感器进行研究，制备了由rGO纳米片和静电纺锦纶6纳米纤维组成的柔性NO2气体传感器。研究表明，通过将rGO与纳米纤维结合，石墨烯电子织物在室温下对 NO2表现出灵敏的反应。并且NO2浓度越高，气体传感器的响应越 大。同时，RGO涂层纳米纤维网织物（RGPNMF）传感器还受湿度的影响，当相对湿度为80％时，传感器对NO2的灵敏度是相对湿度为45％时的2倍，认为80％的相对湿度为检测NO2气体提供了最佳条件。另外，在室温下研究对各种气体的响应特性，发现RGPNMF对 NO2具有良好的选择性，对NO2（13.6%）的响应是其他气体（甲醛、 丙酮、苯和氨）的10倍以上，如下图所示。这表明基于石墨烯、织物复合材料的柔性气体传感器为实时监测有害气体提供了巨大潜力。

（80%相对湿度下NO2气体传感器的气敏性能）

（传感器对各气体的响应）

石墨烯的巨大表面积使其对周围环境非常敏感，甚至可检测到单个气体分子的吸附和释放。基于石墨烯的柔性气体传感器将气敏薄膜材料置于电极表面，基材也是柔性的，具有质量轻、可塑性强、易弯曲等特性，可以大面积制备。这很好地满足了气体传感器在特殊 环境中的便携性、低消耗等要求。

三、柔性湿敏传感器

湿度传感器广泛用于人体舒适性和环境湿度检测，尤其是在工业生产、气象监测、农业种植中。石墨烯是一种很有潜力的低维导湿材料，具有电敏感性和超大的比表面积。氧化石墨烯（GO）含有大量的含氧官能团，并且具有良好的分散性、亲水性。GO可以与水分 子相互作用，并作为湿敏膜，有助于制作湿敏传感器。

湿度传感器正在从简单的湿度传感元件迅速发展到集成的、智能的多参数检测器。基于石墨烯的柔性湿敏传感器以低成本、低能 耗、易于制造等优点被广泛应用。

四、柔性生物传感器

基于石墨烯的复合材料经常被用作新型改性材料，以提高生物传感器的灵敏度。由于石墨烯电极的高灵敏度和低检测限，功能化的石墨烯复合材料可用于生物分子检测和生物传感器的制作。可通过将聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT∶PSS）、聚合物 3，4－亚乙基二氧噻吩和rGO进行复合，制备一种柔性和高导电的复合薄膜。采用乙二醇对PEDOT∶PSS处理后，导电率提高约300倍；此外，将rGO掺入经溶液处理后的PEDOT∶PSS可改善其电化学特性。该导电纸生物传感器成本低、柔韧性好、对环境友好，已用于癌症生物标记物的检测。

基于石墨烯材料的柔性生物传感器种类早已被广泛开发。石墨烯已被证明对小生物分子的检测、 酶的电化学和电分析等方面极为有用。尽管如此，想要大批量制备和应用还需要进一步的研究。

研究问题及研究趋势

对于柔性传感器更多的是对 它的创新应用和对技术应用的颠 覆，应用前景非常广阔，目前国内有大部分公司和研究单位在做这方面研究。对于柔性传感器，柔性材料最大的优势就是能够测量精准，而且能够让传感器更加贴合皮肤，能随时感知和识别肌肉运动， 最大程度地避免肌肉运动时所产生的测量偏差，能够测量出准确数据。

柔性传感器一般是将导电填料与有机弹性体互相混合制备。核心部件为导电薄膜或带有微结构的导电薄膜，但这类薄膜大部分不透气、不透湿，导致其制备的柔性传感器长期佩戴会产生闷热和不舒适感，且传感器的抗菌性也会影响其长期使用效果。因此，实现舒适的可穿戴体验对于拓展柔性传感器的应用领域至关重要。而且所制备的柔性传感器与可穿戴柔性传感器仍然存在一定差距，如何将柔性传感器向可穿戴发展也是一个需要持续研究的问题。

由于石墨烯做电池材料的技术还不成熟，石墨烯在充放电过程中的稳定性很差，循环性能也无法保证，目前基于石墨烯制作的柔性传感器普遍需要外部供电。设计可穿戴自供能电子器件有望实现设备的永久供能，具有重大科学意义和应用前景。目前也有研究团队对此做出了考虑和试验。当前研究自感知功能的柔性传感器也是热点， 所谓自感知是指设备不需要人为干预就能独立运行，这种方式在未来具有非常明显的优势，可以减少人类操作失误所引起的误差和运行安全问题。这种智能设备在未来将会有非常大的应用前景。另外， 还有关于自修复功能类的柔性传感器，自修复功能主要包括内部自修复和外部自修复，即不需要任何触发信号或外部刺激就可以进行自我修复。也可将单一功能器件的柔性传感器多重集合，例如将自供 电功能和自修复功能集成制备多功能性柔性传感器等。

基于柔性传感器的高灵敏度， 其在智能包装方面也具有巨大的潜在应用价值，可以对包装品在运输、生产过程中的微弱反应进行及时响应，从而反映包装品内外环境的微弱变化。还有很多新兴领域有待发现和研究。未来，柔性传感器具有高柔韧性、高灵敏度、便于携带、可穿戴、实时性、安全性等优 点，这些都是柔性电子的必然趋势。

·结语·

石墨烯以其卓越的电、热、光学和机械性能引起世界各地研究人员的兴趣。随着石墨烯的发展，石墨烯的制备技术越来越多样化。然而，石墨烯较大的比表面积使其容易团聚，这影响了其吸附能力和优良性能，进而影响石墨烯增强复合材料性能的改进。经过试验研究发现，对石墨烯进行适当的功能化处理可以有效改善其性能，扩大其应用范围。功能化石墨烯是一种可多变设计的材料，有更多的新兴领域等待进一步探索和开发。

石墨烯及其衍生物具有独特 的物理化学性能，基于石墨烯材料的各类柔性传感器层出不穷。研究发现，基于石墨烯材料的柔性传感器具有灵敏度高、成本低、稳定性好等优点，在传感检测领域具有极大的优势。随着日益成熟的生产技术和更加先进的研究方法的发展， 在各个领域关于石墨烯的应用研 究必定会引起更多关注。

编辑：黄飞