Capteurs de pression basés sur des fibres de graphène à structure dense pour la surveillance des mouvements

Contexte académique

Avec le développement rapide des dispositifs portables intelligents, les capteurs de pression, en tant que composants clés, ont suscité une attention considérable dans des domaines tels que la surveillance de la santé, l’interaction homme-machine et l’intelligence artificielle. Selon leur principe de détection, les capteurs de pression sont principalement classés en types capacitifs, piézoélectriques, triboélectriques et piézorésistifs. Parmi ceux-ci, les capteurs de pression piézorésistifs sont devenus un sujet de recherche brûlant en raison de leur structure simple, de leur haute sensibilité et de leur faible coût de fabrication. Cependant, la manière de concilier une sensibilité élevée avec une large plage de détection reste un défi majeur pour les capteurs piézorésistifs dans les applications réelles.

Le graphène, en raison de sa conductivité électrique exceptionnelle, de sa surface spécifique élevée et de sa résistance mécanique remarquable, a montré des performances impressionnantes dans le domaine des capteurs. Cependant, dans les applications pratiques, les propriétés mécaniques et électriques du graphène sont souvent difficiles à atteindre au niveau idéal, affectant ainsi sa durabilité et sa cohérence de performance. Les fibres de graphène, en tant qu’assemblages macroscopiques de graphène, héritent des propriétés exceptionnelles du graphène et, en raison de leur forme fibreuse, présentent une bonne tissabilité et résistance à l’usure. Cependant, lors de la préparation des fibres de graphène, l’équilibre entre la contrainte, la déformation et les propriétés électriques reste un défi. En optimisant les procédés de filage et les techniques de post-traitement, il est possible d’améliorer les performances des fibres de graphène, ce qui permet d’améliorer les performances des capteurs de pression basés sur des fibres.

Source de l’article

Cet article est coécrit par Yifan Zhi, Honghua Zhang, Lugang Zhang, Qianqian Li, Xiangtian Kuang, Wen Wu, Qingqing Zhou, Ping Li, Wei Li et Huanxia Zhang, des auteurs de l’Université de Donghua et de l’Université de Jiaxing. L’article a été publié le 19 novembre 2024 dans la revue Advanced Fiber Materials, avec le DOI 10.1007/s42765-024-00502-9.

Processus de recherche

1. Préparation des matériaux

Cette étude a d’abord utilisé la méthode de Hummers modifiée pour préparer l’oxyde de graphène (GO), et a synthétisé des nanoparticules de Fe₃O₄ modifiées par des groupes amino en suivant les travaux antérieurs des auteurs. D’autres réactifs tels que l’acide acétique, la N-hydroxy succinimide (EDC) et le chlorhydrate de 1-éthyl-(3-diméthylaminopropyl) carbodiimide (NHS) ont été achetés auprès de fournisseurs commerciaux.

2. Préparation de la solution de dopage pour le filage

Des proportions variables de feuilles de GO de grande et petite taille ont été mélangées avec des nanoparticules de Fe₃O₄, puis dispersées par ultrasons dans un bain de glace pendant 2 heures pour préparer une solution de dopage pour le filage à 25 g/L. En ajustant les proportions de feuilles de GO de grande et petite taille (10:0, 9:1, 8:2, 7:3 et 6:4) ainsi que les proportions de GO par rapport aux nanoparticules de Fe₃O₄ (10:0, 9.5:0.5, 9:1, 8.5:1.5 et 8:2), les performances de la solution de dopage pour le filage ont été optimisées.

3. Préparation des fibres de graphène

La solution de dopage pour le filage a été extrudée à un débit de 25 mL/h à travers une filière plate dans un bain de coagulation d’acide acétique, avec l’application d’un champ magnétique dans le bain de coagulation. Les fibres ont été collectées avec différents rapports d’étirage (1.0:1.3), puis séchées sous vide à 85°C pendant 12 heures pour obtenir des fibres d’oxyde de graphène magnétiques (MGOFs). Ensuite, une réduction par vapeur de HI a été effectuée pendant 4 heures, suivie d’un lavage répété et d’un séchage pour obtenir des fibres de graphène magnétiques (MGFs) et des fibres de graphène (GFs).

4. Fabrication du capteur piézorésistif

Les MGFs préparées ont été tissées en un tissu uni composé de six fibres, et cinq couches de tissu ont été empilées et connectées avec du ruban conducteur. Enfin, le tissu de MGFs a été combiné avec une électrode interdigitée flexible en PET et encapsulé avec un film de PDMS.

5. Caractérisation des matériaux

La morphologie et la structure des matériaux ont été caractérisées par microscopie électronique à balayage (SEM), microscopie à force atomique (AFM), spectroscopie photoélectronique X (XPS), diffraction des rayons X (XRD), spectroscopie Raman et diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS). Les tests de traction et de compression répétée ont été effectués respectivement sur une machine universelle d’essai et un sourcemètre.

Résultats de la recherche

1. Analyse de la morphologie et de la structure des MGFs

Les images SEM montrent que les GFs étirées sont hautement orientées dans la direction de l’axe long, avec un espacement intercouche compris entre 70 et 497 nm, avec une moyenne de 183 nm. Après l’ajout de feuilles de GO de petite taille, le phénomène de rainurage à la surface des GFs s’intensifie, renforçant les forces intercouches. Après l’ajout de nanoparticules de Fe₃O₄, les particules pénètrent entre les couches de graphène, entraînant une diminution de la densité des couches, avec un espacement intercouche moyen de 80,2 nm. L’analyse AFM montre que la différence de hauteur à la surface des fibres après étirage est réduite de 60 nm à 45 nm, indiquant que l’étirage améliore efficacement la planéité de la surface des fibres. Les analyses XPS et XRD confirment l’effet réducteur de HI et de la haute température sur les MGFs, et la spectroscopie Raman montre une réduction des structures de défauts après réduction. L’analyse SAXS indique que l’étirage et le dopage par nanoparticules de Fe₃O₄ ont des effets différents sur l’arrangement ordonné et la densification des fibres de graphène.

2. Performances de détection du capteur de pression MGFs

Le capteur de pression MGFs montre une sensibilité élevée (0,233 kPa⁻¹) dans la plage de basse pression (0-40 kPa), et une sensibilité réduite à 0,048 kPa⁻¹ dans la plage de haute pression (>40 kPa). Le capteur montre une bonne répétabilité et stabilité lors d’expériences de compression répétée à différentes pressions (10, 20, 30 et 40 kPa). Les temps de réponse et de récupération sont respectivement de 121 ms et 158 ms, et le capteur maintient un signal de courant stable après 1300 cycles de compression, montrant une durabilité exceptionnelle.

3. Applications du capteur de pression MGFs

Le capteur de pression MGFs a été appliqué avec succès pour surveiller les activités physiologiques humaines, y compris la pression des doigts, la flexion du coude, la flexion des doigts, la prononciation, la respiration et la détection du pouls. Le capteur est capable de distinguer avec précision les signaux sous différentes pressions, démontrant son potentiel d’application étendue dans les dispositifs portables.

Conclusion

Cette étude propose une stratégie pour la préparation de MGFs via la limitation par canal de GO et l’ajout de nanoparticules de Fe₃O₄, permettant la construction réussie d’un capteur de pression portable basé sur des fibres. Les MGFs présentent des propriétés électriques et mécaniques exceptionnelles, et le capteur montre une large plage de détection, une sensibilité élevée, des temps de réponse/récupération rapides et une durabilité remarquable. Ce capteur a une valeur d’application importante dans la surveillance physiologique, l’interaction homme-machine et les dispositifs portables intelligents.

Points forts de la recherche

1. Fibres de graphène à structure dense : En optimisant les procédés de filage et les techniques de post-traitement, des MGFs avec une résistance à la traction élevée (58,6 MPa), une déformation (5,3 %) et une conductivité électrique (1,7 × 10⁴ S/m) ont été préparées.
2. Couche de détection multicouche en tissu : Le capteur utilise une structure multicouche en tissu, améliorant significativement la plage de détection et la sensibilité.
3. Réponse rapide et durabilité : Le capteur a un temps de réponse de 121 ms et un temps de récupération de 158 ms, et maintient des performances stables après 1300 cycles de compression.
4. Potentiel d’application étendu : Le capteur a été appliqué avec succès pour surveiller les activités physiologiques humaines, montrant son potentiel d’application étendu dans les dispositifs portables.

Autres informations utiles

Cette recherche a été soutenue par plusieurs projets, notamment le fonds de la science naturelle du Zhejiang, le programme national de recherche et développement clé du ministère de la Science et de la Technologie, et le projet de plan de science et technologie de Jiaxing. Les données peuvent être obtenues auprès de l’auteur correspondant.