清华大学《ACS AMI》：一种基于石墨烯墨水的可拉伸热声器件，用于可穿戴电子领域

成果简介

热声器件作为灵活的超薄声源具有巨大的潜力。然而，基于热声机制的可拉伸声源仍然难以捉摸，因为在合理范围内实现稳定的电阻具有挑战性。本文，清华大学田禾副教授、任天令教授团队在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Stretchable Ink Printed Graphene Device with Weft-Knitted Fabric Substrate Based on Thermal-Acoustic Effect”的论文，研究在纬编织物上制备了一种基于石墨烯墨水的可拉伸热声器件。优化石墨烯油墨浓度后，在不可拉伸状态下运行4000次循环，器件电阻变化8.94%。经过多次弯曲、折叠、催促和清洗循环后，设备的声压级（SPL）变化在10%以内。此外，SPL在特定范围内随应变的增加而增加，表现出类似于负差分电阻（NDR）效应的现象。这项研究阐明了可拉伸热声设备在电子皮肤和可穿戴电子产品中的使用。

图文导读

图1.（a） 拉伸和非平面状态下SGTAD探测的概念以及器件表面和纺织织物基材的SEM结果。（b） SPL与频率的关系，包括五项验证可穿戴性的测试。（c） 不同扫描测试下的声压级分布，包括原始状态和拉伸、弯曲、刺激、折叠和洗涤状态。

图2.（a） SGTAD示意图。（b） 制作SGTAD。（c） 去离子水/水基石墨烯浆料和印刷层比例的工艺探索。（d，e）SGTAD在50%相对应变下在X方向和Y方向拉伸的一个周期中的归一化平均阻力响应。（f，g）SGTAD在50%相对应变下在X方向和Y方向拉伸连续5个周期中的归一化平均阻力响应。

图3.（a） SGTAD的数字操作系统示意图。（b） 电路方案和SGTAD光学图像在第1000个释放周期中由电路驱动的声音信号在PC中的频谱。（c，d）在Y方向和X方向的50%单轴应变下，SPL与频率的变化分别为50%。（e，f）SPL 与频率的变化，重复折叠到 180 度，并推动到 3mm 的高度，分别 1000次。（g） 随着反复洗涤，SPL 与频率的变化。（h） SPL与频率随不同弯曲高度的变化。

图4.（a） 在1000个拉伸周期和前10个周期中每100个周期的最后10个周期的声压级。（b）不同应变条件下（0、20、30、50%）纺织织物基材的SEM结果。（C–g）基于不同周期（第100、300、500、700、1000）拉伸探测模型的实验与仿真SPL与应变对比

图5.可拉伸设备性能的雷达图

小结

综上所述，SGTAD是通过在预拉伸织物基材上使用2D材料打印机直接打印石墨烯/去离子水杂化油墨提出的。该制备技术简单实用，有望应用于图案绘制和自动化批量生产。实验结果表明，SGTAD经过多次拉伸、刺激、折叠、洗涤和弯曲后都能输出稳定的声音，不同频段的平均性能退化率分别为8.94%、9.2%、9.4%、9.8%和6%。所提出的设备在六个关键领域优于以前的设备：拉伸性、性能稳定性、防破坏性、易于准备、可弯曲性和声音性能。这表明所提出的设备在可穿戴电子领域具有巨大的前景。

此外，首次观察到SPL随应变的增加。现有的石墨烯织物器件NDR模型扩展到声学领域。仿真结果与实验结果吻合较好。这项工作将激发声学设备的发展，这些设备有望用于检测人类活动的微小变化。

文献：https://doi.org/10.1021/acsami.3c00072