华南理工《Adv. Eng. Mater》:丝绸为原料激光诱导制备石墨烯,用于柔性传感器

研究以低成本、环保的丝绸面料为原料,采用热处理和激光直接写入( LDW )两步法制备了具有原始宏观组织结构、柔性特性、最小40Ωsq-1薄层电阻的激光诱导石墨烯( LIG )。该方法可在加工过程中快速控制产品的电导率和机械性能。

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成果简介

本文,华南理工大学Zehong Li,等研究人员在《Adv. Eng. Mater》期刊发表名为“Preparation of Laser-Induced Graphene Fabric from Silk and Its Application Examples for Flexible Sensor”的论文,研究以低成本、环保的丝绸面料为原料,采用热处理和激光直接写入( LDW )两步法制备了具有原始宏观组织结构、柔性特性、最小40Ωsq-1薄层电阻的激光诱导石墨烯( LIG )。该方法可在加工过程中快速控制产品的电导率和机械性能。

通过实验调整激光参数,得到最优的约40 Ω sq -1薄层电阻。有限元分析( FEA )与实验方法耦合,用来解释加工、结构和性能之间的关系。在适当的加工条件下,可以在较薄的前体的上下表面纤维上检测到石墨烯。产品的导电性受输入激光能量引起的材料转化和结构完整性的影响,因此可以通过调整激光加工参数轻松改变。产品的良好性能与均匀、充分但不过分的温度场分布有关。此外,LIG 织物还用于柔性传感器,例如,这些传感器具有足够的静态和动态特性,可以成为可穿戴设备。

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图文导读

华南理工《Adv. Eng. Mater》:丝绸为原料激光诱导制备石墨烯,用于柔性传感器

图1、LIG和柔性应变传感器和压力传感器的制造过程。

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图2、原始丝、碳化丝和 LIG 的 SEM 图像。

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图3、a)LIG(10k×)横截面的SEM图像。b) 多层碳(外部)和粒状碳(内部)(50k×)。c) 原料和产物的拉曼光谱。d) 碳化丝和 LIG 的 EDX 图案。

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图4、a) 3D 模型尺寸。b) 网格尺寸分布。c) z  = 10 mm, P  = 0.6 W的静态处理结果。d)在不同z ( P  = 0.6 W)下每个时间步的T max。e)在不同z ( P  = 0.6 W)下水平方向的T max分布。f)不同z ( P  = 0.6 W)下垂直方向的T分布。g)在不同P ( z  = 10 mm )下每个时间步的T max。h) T最大值不同P ( z  = 10 mm)下水平方向的分布。i)不同P ( z  = 10 mm)下垂直方向的T分布。

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图5、a) 单次抗弯强度随弯曲角度的变化。b) 弯曲次数与阻力的关系(弯曲角度=105°)。c) 以 105° 弯曲 50 次。d) 以 105° 弯曲 500 次。

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图6、a) 柔性应变传感器的静态灵敏度。b) 500 周期拉伸实验(0.2 Hz,2.5% 变形)。c) 动态响应实验。d) 脉冲检测。e) 声带发音检测。f) 手指弯曲检测。g) 柔性压力传感器的静态灵敏度。h) 500 次循环冲击载荷实验(0.5 Hz,最大 60 kPa)。i) 电子皮肤按钮。

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小结

在这项工作中提出了一种具有成本效益的两步法制备 LIG 织物,可以根据需要快速调整。采用预碳化和LDW技术将真丝织物转化为具有透气性、导电性、比表面积大、具有一定柔韧性的LIG织物。

链接:https://doi.org/10.1002/adem.202100195

文献:

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