應(yīng)用案例

　　實(shí)驗(yàn)名稱：高分辨三維石墨烯應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)及其自監(jiān)測(cè)變形器件

　　研究方向：針對(duì)復(fù)雜變形場(chǎng)下的高精度感知需求，研究基于三維石墨烯網(wǎng)絡(luò)的新型應(yīng)變傳感體系。重點(diǎn)突破多級(jí)微結(jié)構(gòu)調(diào)控（冰模板定向冷凍制備梯度孔隙結(jié)構(gòu)，孔徑50nm-20μm）、應(yīng)變-電耦合建模（建立多尺度關(guān)聯(lián)模型，GF達(dá)120@50%應(yīng)變）、智能噪聲抑制算法（卡爾曼濾波結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)補(bǔ)償溫漂）三大核心技術(shù)。通過(guò)等離子體界面修飾與PVDF壓電耦合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)0.1%微應(yīng)變監(jiān)測(cè)（信噪比>40dB）及自供能運(yùn)行（轉(zhuǎn)換效率15.3%），解決傳統(tǒng)傳感器在柔性電子、變形機(jī)翼等場(chǎng)景中的多維應(yīng)變分辨與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性難題。

　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/strong>旨在開(kāi)發(fā)高靈敏三維石墨烯應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與多模態(tài)信號(hào)耦合機(jī)制實(shí)現(xiàn)材料變形自感知，并集成形狀記憶聚合物構(gòu)建兼具電驅(qū)動(dòng)變形與實(shí)時(shí)自監(jiān)測(cè)功能的智能器件，為柔性電子、軟體機(jī)器人及航天可展開(kāi)結(jié)構(gòu)提供高分辨率、寬量程、環(huán)境魯棒性強(qiáng)的應(yīng)變監(jiān)測(cè)解決方案。

　　測(cè)試設(shè)備：化學(xué)氣相沉積爐、掃描電子顯微鏡、拉曼光譜儀、電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、數(shù)字源表、紅外熱像儀、動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀（DMA）、聲級(jí)計(jì)、函數(shù)發(fā)生器、功率放大器、數(shù)字示波器。

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程：采用化學(xué)氣相沉積法在泡沫鎳基底上生長(zhǎng)單層石墨烯泡沫（GrF/Ni），經(jīng)PDMS溶液浸漬-旋涂固化后，通過(guò)FeCl3溶液刻蝕去除鎳骨架，冷凍干燥獲得三維柔性SLGF材料。使用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)SLGF施加0.033%-51%動(dòng)態(tài)應(yīng)變，同步采集Keithley7510數(shù)字源表的電阻變化數(shù)據(jù)，結(jié)合LabVIEW平臺(tái)進(jìn)行小波去噪與線性擬合；通過(guò)紅外熱像儀監(jiān)測(cè)焦耳熱驅(qū)動(dòng)形狀記憶聚合物（SMP）的溫升曲線，利用高速攝像機(jī)（1000fps）記錄形狀回復(fù)過(guò)程，最終通過(guò)MATLAB實(shí)現(xiàn)應(yīng)變-電阻-溫度多物理場(chǎng)耦合分析，建立自監(jiān)測(cè)器件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型。

圖1三維石墨烯應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)與焦耳熱驅(qū)動(dòng)自監(jiān)測(cè)器件的多物理場(chǎng)耦合系統(tǒng)架構(gòu)

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：本研究通過(guò)構(gòu)建三維石墨烯應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)（SLGF）及其與形狀記憶聚合物（SMP）的復(fù)合器件，系統(tǒng)驗(yàn)證了材料在寬應(yīng)變范圍、極端環(huán)境下的自監(jiān)測(cè)性能與功能集成能力。實(shí)驗(yàn)顯示，這種材料制成的傳感器不僅靈敏度極高（微小形變檢測(cè)達(dá)頭發(fā)絲粗細(xì)的千分之一），還能在反復(fù)拉伸3000次后保持穩(wěn)定性能。通過(guò)與智能材料結(jié)合，傳感器可在通電后自動(dòng)變形并實(shí)時(shí)反饋?zhàn)陨頎顟B(tài)，在-40℃嚴(yán)寒或150℃高溫環(huán)境下仍能可靠工作。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)傳感器只能單獨(dú)檢測(cè)形變或需要外部供電的局限，為智能機(jī)器人、可穿戴設(shè)備和航天器折疊結(jié)構(gòu)提供了更輕便、耐用的自感知解決方案，例如能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自身彎曲狀態(tài)的柔性機(jī)械手，或可自動(dòng)調(diào)整形狀的衛(wèi)星太陽(yáng)能板。

圖2SS1可變形器件在15V電壓下的形狀回復(fù)過(guò)程，插圖為對(duì)應(yīng)時(shí)刻的紅外照片

圖3SS2在15V電壓下的靜態(tài)熱、電性能測(cè)試。（a）通電加熱過(guò)程的紅外照片；

（b）相對(duì)電阻變化隨時(shí)間變化曲線（藍(lán)）和平均溫度隨時(shí)間變化曲線（紅）

圖4SS2在20V電壓下的自監(jiān)測(cè)性能測(cè)試。（a）形狀回復(fù)過(guò)程的紅外照片；

　　（b）相對(duì)電阻變化曲線（藍(lán)）和形狀回復(fù)率曲線（紅）

圖5SS2自監(jiān)測(cè)可變形器件在不同施加電壓下，對(duì)自身變形的監(jiān)測(cè)結(jié)果。（a）18V（b）22V

　　產(chǎn)品推薦：ATA-4000系列高壓功率放大器

　　圖：ATA-4000系列高壓功率放大器指標(biāo)參數(shù)

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