基于碳泡沫的柔性傳感材料制備及其性能研究

張志 尚盈輝

（深圳微檢無憂科技有限公司 廣東省深圳市 518000）

當今社會計算機信息技術(shù)的飛速發(fā)展，傳感器在人們的日常生活、舒適化工作學(xué)習(xí)和企業(yè)的自動化生產(chǎn)中的應(yīng)用價值進一步凸顯，尤其是在智能制造、工程進步和礦產(chǎn)資源、近海領(lǐng)域等的開發(fā)中的應(yīng)用不斷增加，為各行各業(yè)經(jīng)濟效益獲取奠定了扎實的基礎(chǔ)。隨著現(xiàn)階段人們對傳感器測試精度等要求的不斷提高，傳統(tǒng)模式下的傳感器技術(shù)應(yīng)用已然不能滿足人們的日常生活需求，不能彎曲、無法在水體環(huán)境或其他特殊環(huán)境中測試等性質(zhì)，均不能滿足當代產(chǎn)業(yè)發(fā)展要求，全新市場發(fā)展對傳感器提出了高柔性、強準確率和高穩(wěn)定性等基本需求。壓力傳感器作為日常生活和工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用最廣泛的重要類型，近年來常用的晶體管式傳感、壓阻式傳感、壓電式傳感、電容式傳感、壓電陶瓷傳感器等諸多類型，在實際使用過程中或多或少地存在敏感性能不足、穩(wěn)定性不夠或者是使用環(huán)境受到限制等諸多弊端，也就難以滿足傳感器使用要求，因此，本文提出一種碳泡沫水凝膠柔性傳感器材料的制備，通過便捷的制備過程、較低廉的成本制得，借助碳泡沫和水凝膠誘導(dǎo)后發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，通過兩者之間骨架和離子形成的雙電層電容結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)傳感器設(shè)備電容變化的壓力參數(shù)值測試，最終為高性能的柔性傳感器的制備奠定更扎實的基礎(chǔ)。因此，本文對碳泡沫和水凝膠的柔性傳感器的制備研究，也就具備重要理論意義和現(xiàn)實價值。

1 柔性傳感材料概述

隨著我國經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展和計算機科技的不斷進步，傳感器技術(shù)在智能制造、工業(yè)4.0、物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)園區(qū)等的應(yīng)用范圍進一步拓寬，在促進產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展和保障機械設(shè)備等的正常運行上做出了重要貢獻。與此同時，隨著當代電子信息技術(shù)等的發(fā)展，人們對傳感器，尤其是柔性傳感器的靈敏度、測量準確效率和力學(xué)性能上的要求進一步提高，尋求高性能的柔性傳感器材料，制備更優(yōu)質(zhì)的傳感器元器件也就獲得諸多研究學(xué)者的關(guān)注。

在某些特殊的實驗環(huán)境條件、應(yīng)用環(huán)境條件或者是部分復(fù)雜度較為高的實驗器件中，可能會存在著某些特殊的傳感器，例如在生物體結(jié)構(gòu)當中，由于生物體結(jié)構(gòu)大多由較軟的材料構(gòu)成，堅硬材料并不能夠滿足生物體傳感器材料的基本要求，該類特殊環(huán)境的特殊需求也就促進了柔性傳感可折疊甚至是彎曲、可穿戴、便于攜帶等諸多原材料的發(fā)展，該類柔性材料主要包括聚乙烯醇、聚酯紡織材料等，一般具備容易變形和低模量等特質(zhì)，能夠與傳感器整合后使傳感器具備柔性材料延展性好和可彎曲+可折疊等諸多優(yōu)勢。

2 碳泡沫水凝膠柔性傳感材料制備

在碳泡沫水凝膠柔性傳感器材料的制備過程中，主要探究柔性傳感器材料制備的實驗原材料、實驗儀器、基本制備方法和各環(huán)境制備影響因素對整個碳泡沫水凝膠柔性傳感器材料最終成型性能的相關(guān)影響。首先，就分析碳泡沫水凝膠柔性傳感器制備過程中的原材料而言，本文柔性傳感器的制備所用原材料主要包括碳泡沫、丙烯酰氨、氯化鋁、過硫酸銨等諸多原材料，具體參數(shù)如表1 所示。進一步分析碳泡沫水凝膠柔性傳感器材料制備所需的實驗儀器，整個試驗過程用到的化學(xué)實驗儀器主要包括恒溫干燥箱、力學(xué)測試儀、電子分析天平等，其試驗儀器參數(shù)如表2 所示。

表1： 原材料參數(shù)表

表2： 實驗儀器參數(shù)表

進一步分析碳泡沫水凝膠柔性傳感器材料過程中的制備方法，整個制備過程示意圖如圖1 所示，首先將碳泡沫剪成6mm×2.5mm×2mm 尺寸的相同大小的長條，然后再配置水凝膠的基礎(chǔ)前提下，通過試驗進一步探究碳泡沫水凝膠的配比，調(diào)整合適的泡沫水凝膠的配比，將調(diào)制好的水凝膠母液快速浸潤到碳泡沫結(jié)構(gòu)中，然后將混合溶液倒入培養(yǎng)皿中，將混合溶液的培養(yǎng)皿密封后放入恒溫干燥箱，在50℃的恒溫條件下放置兩個小時左右，保證恒溫干燥箱中的水凝膠完全成型，最后再取出樣品，得到碳泡沫水凝膠柔性傳感器制作的基本材料。

圖1： 制備過程示意圖

為了進一步驗證本文制備所得到的泡沫水凝膠柔性傳感器材料的相關(guān)性能是否符合預(yù)期需要，保證后續(xù)傳感器材料制備各項參數(shù)性能能夠達到預(yù)期要求，本文進一步對水凝膠成型過程中的相關(guān)影響因素進行了分析，避免由于水凝膠母液在結(jié)束成型過程后不能夠得到固體水凝膠產(chǎn)物，造成整個碳泡沫水凝膠柔性材料相關(guān)性能達不到預(yù)期的尷尬情形，本文主要探究溫度和部分原始藥品濃度的影響。在探究溫度對水凝膠成型過程的相關(guān)影響時，在水凝膠配比基本參數(shù)條件不變的前提下，設(shè)置50℃、60℃、70℃、80℃四個不同的反應(yīng)溫度，進一步觀察水凝膠成型的基本狀況，其結(jié)果如表3 所示，由表可知，在水凝膠配比母液基本配比參數(shù)不變的前提下，隨著聚合溫度的不斷增加，水凝膠配比溶液并不會發(fā)生聚反應(yīng)，由此可知在碳泡沫水凝膠柔性傳感器材料的制備過程中，水凝膠的反應(yīng)溫度并不是導(dǎo)致整個傳感器材料不能快速成型的主要原因。在排除溫度因素的條件下，根據(jù)試驗過程分析和相關(guān)參考文獻，推導(dǎo)是否在碳泡沫水凝膠柔性傳感器材料制備過程中發(fā)生了復(fù)合反應(yīng)，導(dǎo)致了原有藥品濃度值降低，最終使得聚合反應(yīng)不能夠充分完成，因此，進一步對原始配方中相關(guān)藥品的濃度進行研究試驗，在藥品濃度提高五倍的前提下，發(fā)現(xiàn)碳泡沫水凝膠柔靜傳感器材料的整個制備過程能夠順利完成，水凝膠能夠順利成型，更加印證了碳泡沫水凝膠柔性傳感器材料在制備過程中發(fā)生了一定的藥品濃度損失，導(dǎo)致最終的濃度不能夠達到聚合反應(yīng)的相關(guān)標準。深入探究泡沫水凝膠復(fù)合過程中各藥品的濃度變化，研究具體的濃度變化導(dǎo)致的聚合物反應(yīng)無法產(chǎn)生，由此在對所有藥品濃度提高十倍的基礎(chǔ)上，逐個研究任意碳泡沫水凝膠柔性傳感器材料制備過程中基礎(chǔ)反應(yīng)物濃度對整個聚合物反應(yīng)的影響，得到最佳的反應(yīng)物濃度配比參數(shù)。首先是對單體濃度參數(shù)影響進行分析，除了丙烯酸銨以外，在保持其他濃度條件基本不變的前提下，將丙烯酸氨的濃度從原始濃度提高五倍，配置水凝膠母液混合溶液，觀察水凝膠制備柔性傳感器材料的混合液是否能夠快速發(fā)生聚合反應(yīng)，結(jié)果如表4 所示，由表可知，丙烯酰胺從初始濃度值提高到五倍大變化濃度之后，水凝膠母液均發(fā)生聚合反應(yīng)，但是原始的丙烯酰胺濃度和碳泡沫并不會進一步發(fā)生聚合反應(yīng)，當濃度值提高到兩倍時，才能夠與碳泡沫發(fā)生聚合反應(yīng)，由此認為丙烯酰胺的濃度值應(yīng)該為始濃度值的兩倍，也就是四摩爾每升。

表3： 聚合物溫度反應(yīng)情況

表4： 丙烯酸銨濃度變化后的樣品制備結(jié)果示意表

在探究引發(fā)劑對碳泡沫水凝膠柔性傳感器材料制備過程的影響，當丙烯酰胺濃度值為四摩爾每升時，除去引發(fā)劑之外的其他藥品濃度值基本保持不變，但引發(fā)劑的濃度從原始濃度提高到了原始濃度的五倍，進而配置水凝膠母液混合溶液，觀察水凝膠母液和制備柔性傳感器的材料是否能夠發(fā)生聚合反應(yīng)，結(jié)果如表5 所示，由表可知，引發(fā)劑的濃度為原始配方溶液濃度的兩倍，也就是1.22×10 的負三次方摩爾，此時水凝膠母液能夠和碳泡沫發(fā)生聚合反應(yīng)，也就能夠使泡沫水泥膠柔性傳感器材料快速制備完成。

表5： 引發(fā)劑變化后的樣品制備結(jié)果示意表

3 壓力感性性能

在詳細論述碳泡沫水凝膠柔性復(fù)合材料的制備方法，并驗證了柔性材料制備過程中不同影響因素對最終制得的碳泡沫水凝膠柔性傳感器材料相關(guān)性能的影響的基礎(chǔ)上，進一步以制得的碳泡沫水凝膠柔性傳感器為實驗研究對象，對整個傳感器的壓力感性性能進行分析，由于傳感器最終制得的材料之所以能夠檢測到外界普通荷載進行條件下各種力學(xué)刺激的作用，僅僅是因為碳泡沫和能夠和聚合物水凝膠進一步復(fù)合，從而使碳泡沫水凝膠復(fù)合物和水凝膠中的基本離子，能夠在接觸界面處產(chǎn)生力學(xué)作用，然后形成一定的雙電層電容，從而借助外在環(huán)境荷載作用改變原有的碳碳泡沫和水凝膠物質(zhì)之間的接觸面積，導(dǎo)致兩者在接觸面所形成的大小引起雙電容參數(shù)值發(fā)生變化，由此對泡沫水凝膠復(fù)合柔性傳感器材料的壓力感應(yīng)性能進行分析，就能夠得到最終柔性傳感器材料試驗性能。本文對碳泡沫水凝膠柔性傳感器材料的壓力感應(yīng)進行試驗，主要采取了連續(xù)加載試驗，通過對其柔性傳感器接觸面積變化而導(dǎo)致的雙電層電容參數(shù)值變化得到最終的實驗影響。在連續(xù)加載試驗過程中，檢測得到碳泡沫水凝膠柔性傳感器材料所制得的傳感性能，實際取樣后進行垂直表面的壓力測試，以增加荷載的試驗方式測試碳泡沫水凝膠柔性傳感器材料最終的性能參數(shù)，以此計算傳感器材料的壓力感應(yīng)靈敏度。在整個過程中，取得制備好的碳泡沫水凝膠柔性傳感器材料基本試塊，在試塊上下貼上導(dǎo)電膠作為電極結(jié)構(gòu)，利用通道電膠將導(dǎo)線粘到一定的電極上，從而將電機連接到阻抗分析儀器上，將碳泡沫水凝膠柔性傳感器材料的原始實驗固定在力學(xué)試驗機結(jié)構(gòu)上。為了最大限度的防止外界荷載受力不均勻而導(dǎo)致的實驗結(jié)果的不準確和不科學(xué)，避免實驗過程中試驗機壓頭和電極聯(lián)通后產(chǎn)生的不良影響，在電極和試驗機壓頭之間增加了保玻璃片，避免最終測得的參數(shù)值出現(xiàn)較大誤差。對試驗進行壓力遞增的荷載作用后，每次增加荷載作用為0.5 千帕，在荷載施加保持兩秒后記錄碳泡沫水凝膠柔性傳感器材料的電容值，直到加載到3 千帕之后停止外界荷載的增加，其試驗結(jié)果如圖2 所示，由圖可知，隨著外界荷載的逐步增加，碳泡沫水凝膠柔性傳感器的電容參數(shù)逐步增大，當壓力直進一步增加到3000 帕?xí)r，碳泡沫水凝膠柔性傳感器材料的電容參數(shù)值增加到了初始荷載施加時的七倍，整個電容變化率參數(shù)隨外界施加參數(shù)的增加而增加，整體呈現(xiàn)正比例關(guān)系，能夠在圖上擬合出一條電容變化率參數(shù)，該參數(shù)隨著外界施加的荷載變化參數(shù)而變化，其趨勢圖斜率大致為2.33。

圖2： 實驗結(jié)果圖

4 實際應(yīng)用

為了進一步研究碳泡沫水凝膠柔性傳感器材料的實際應(yīng)用價值，本文以簡單的檢測實驗探究。在吹氣檢測試驗過程中，將制備所得到的材料上下兩面貼上銅電機之后固定在某一玻璃板塊上，利用銅線將電機連接到相應(yīng)的阻抗分析儀上，從而采取大中小不同的力量對其進行吹氣，記錄阻抗儀上的電容值參數(shù)變化，整個試驗結(jié)果如圖3 所示。由圖可知，圖上黑色、紅色和藍色三條曲線分別代表中小、中、大三種不同的外界吹氣過程，明確在施加力作用后產(chǎn)生的空氣流數(shù)值大小。當采用較小的荷載時，試驗的實際電容參數(shù)值較小，而當逐漸增大吹氣力量時，試驗得到的電容值隨之增大，整個實驗過程中產(chǎn)生的電容值的具體變化過程較為穩(wěn)定，能夠?qū)Σ煌笮〉臍饬髯龀鲚^為準確的反應(yīng)和靈敏，由此可知，在經(jīng)過了一定的信號轉(zhuǎn)換之后的電容和電功率放大處理之后，碳泡沫水凝膠傳感器材料依舊能夠以制得的麥克風(fēng)將初始的聲波參數(shù)值轉(zhuǎn)換為電信號，從而使該材料在捕捉低頻聲波等應(yīng)用場景中得到其具體價值的實現(xiàn)。

圖3： 試驗結(jié)果圖

5 結(jié)論

本文以水凝膠中的離子結(jié)構(gòu)與水凝膠接觸面形成的雙層電容結(jié)構(gòu)為例，通過在雙層電容結(jié)構(gòu)中增加外界力作用刺激的方式，改變雙層電極中水凝膠表面的接觸面積，從而達到改變最終電容值大小的方式，制得性能優(yōu)良的柔性傳感器材料。文章在論述柔性傳感材料的基礎(chǔ)上，探究了碳泡沫水凝膠柔性傳感材料的制備過程，以制得的柔性原材料為基礎(chǔ)，實現(xiàn)碳泡沫水凝膠柔性傳感材料壓力參數(shù)得感性性能研究和分析，最后借助實踐應(yīng)用，獲得關(guān)于柔性傳感器材料制備的具體經(jīng)驗。在此過程中，碳泡沫水凝膠柔性傳感材料的制備，借助高密度三聚氰胺泡沫碳化后的生成物，維持傳感器制備材料的原有孔結(jié)構(gòu)，在選擇最佳碳化溫度為以保證碳泡沫孔結(jié)構(gòu)基本完整的前提下，保持碳泡沫水凝膠柔性傳感器制備材料的力學(xué)性能和物理彈性等符合預(yù)取，最后引入碳泡沫對水凝膠起到明顯的增強作用，最終制備的碳泡沫水凝膠復(fù)合材料在外界荷載作用下能夠表現(xiàn)為彈性變形，具備較良好的彈性性能和形狀恢復(fù)能力，達到傳感器設(shè)備的功能使用要求。