高柔性和大變形超彈性氣凝膠在實(shí)際應(yīng)用中已成為迫切的機(jī)械需求，但這兩種特性通常是互斥的。本文提出了石墨烯納米纖維氣凝膠(GNFAs)的跨尺度孔隙設(shè)計(jì)，以打破高柔韌性和超彈性之間的權(quán)衡。所得的GNFA在60%的折疊應(yīng)變下可以在1000次疲勞循環(huán)后完全恢復(fù)，在90%的壓縮應(yīng)變下可以在10000次循環(huán)后保持良好的結(jié)構(gòu)完整性，優(yōu)于大多數(shù)報(bào)道的氣凝膠。由雙曲微孔和多孔納米纖維組成的跨尺度多孔結(jié)構(gòu)使其具有較大的彈性變形能力。研究進(jìn)一步揭示了柔性和超彈性GNFA作為一種檢測(cè)張力和彎曲變形的電子傳感器具有高靈敏度和超穩(wěn)定性。作為驗(yàn)證，將GNFA傳感器應(yīng)用到人的手指上，通過(guò)多層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了高精度的手語(yǔ)智能識(shí)別。本研究提出了一種高度柔性和彈性的石墨烯氣凝膠，用于傳感器技術(shù)中的可穿戴人機(jī)界面。
圖1. a) GNFA制備示意圖。b) SEM圖像的GNFA跨尺度結(jié)構(gòu)。c)有折疊和彎曲變形的大型樣品的數(shù)碼照片。
圖2. a)納米纖維層間大泡沫的圖解和結(jié)構(gòu)演化。b)纖維間微發(fā)泡的圖解和結(jié)構(gòu)演變。
c) HPF時(shí)間對(duì)GNFA孔徑和密度的影響。(c) HPF時(shí)間與納米纖維直徑的關(guān)系。
圖3. a) GNFA在1000次疲勞循環(huán)下的彎曲應(yīng)變-應(yīng)力曲線。b) 1萬(wàn)次疲勞循環(huán)下GNFA壓縮應(yīng)變-應(yīng)力曲線。c)剩余應(yīng)力、塑性變形和能量損失系數(shù)相對(duì)于壓縮循環(huán)。d)當(dāng)振蕩壓縮應(yīng)變?yōu)?%時(shí)，CNFAs的存儲(chǔ)模量、損耗模量和阻尼比隨溫度從- 50°C到250°C的變化。e)納米纖維氣凝膠材料的塑性變形與彈性應(yīng)變。圖中相應(yīng)的圓點(diǎn)旁標(biāo)示了壓縮循環(huán)的次數(shù)。f)納米纖維氣凝膠材料的剩余應(yīng)力與壓縮循環(huán)。壓縮應(yīng)變?cè)趫D中相應(yīng)的圓點(diǎn)旁邊標(biāo)有。g)最大壓縮應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)GNFA的原位SEM觀察。
圖4. a)柔性GNFA傳感器結(jié)構(gòu)圖。b)不同密度GNFA傳感器與100%拉伸應(yīng)變的電阻變化率(△R/R
0)。c)不同密度GNFA傳感器的量規(guī)系數(shù)。d)不同密度GNFA傳感器對(duì)90°彎曲角的△R/R
0。GNFA傳感器在疲勞試驗(yàn)中的機(jī)械性能(e)拉伸(1000次循環(huán))和(f)彎曲(10000次循環(huán))。GNFA傳感器的抗疲勞性能可達(dá)g) 100%拉伸應(yīng)變，10000次循環(huán)，h) 50%彎曲應(yīng)變，1000次循環(huán)。
圖5. a)帶有10個(gè)GNFA傳感器和無(wú)線DAQ的人手(左)。采集電信號(hào)的DAQ結(jié)構(gòu)(右)。
b)制作“A”手語(yǔ)時(shí)采集10路傳感器信號(hào)。c)從A到z的26個(gè)手語(yǔ)字母。d)手語(yǔ)人機(jī)交互流程圖，包括信號(hào)調(diào)理、采集和處理。e)測(cè)試過(guò)程中的數(shù)碼照片，識(shí)別“A”的手語(yǔ)。
相關(guān)研究成果由浙江大學(xué)Gao Chao、Xu Zhen、Peng Yuxin和Liu Yingjun課題組2024年發(fā)表在Small (鏈接: https://doi.org/10.1002/smll.202400415)上。原文：Highly Flexible and Superelastic Graphene Nanofibrous Aerogels for Intelligent Sign Language
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
