應(yīng)用案例

　　實驗名稱：高分辨三維石墨烯應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)及其自監(jiān)測變形器件

　　研究方向：針對復(fù)雜變形場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。重點突破多級微結(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120@50%應(yīng)變）、智能噪聲抑制算法（卡爾曼濾波結(jié)合機器學(xué)習(xí)補償溫漂）三大核心技術(shù)。通過等離子體界面修飾與PVDF壓電耦合設(shè)計，實現(xiàn)0.1%微應(yīng)變監(jiān)測（信噪比>40dB）及自供能運行（轉(zhuǎn)換效率15.3%），解決傳統(tǒng)傳感器在柔性電子、變形機翼等場景中的多維應(yīng)變分辨與動態(tài)穩(wěn)定性難題。

　　實驗?zāi)康模?/strong>旨在開發(fā)高靈敏三維石墨烯應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)，通過微結(jié)構(gòu)設(shè)計與多模態(tài)信號耦合機制實現(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)動變形與實時自監(jiān)測功能的智能器件，為柔性電子、軟體機器人及航天可展開結(jié)構(gòu)提供高分辨率、寬量程、環(huán)境魯棒性強的應(yīng)變監(jiān)測解決方案。

　　測試設(shè)備：化學(xué)氣相沉積爐、掃描電子顯微鏡、拉曼光譜儀、電子萬能試驗機、數(shù)字源表、紅外熱像儀、動態(tài)熱機械分析儀（DMA）、聲級計、函數(shù)發(fā)生器、功率放大器、數(shù)字示波器。

　　實驗過程：采用化學(xué)氣相沉積法在泡沫鎳基底上生長單層石墨烯泡沫（GrF/Ni），經(jīng)PDMS溶液浸漬-旋涂固化后，通過FeCl3溶液刻蝕去除鎳骨架，冷凍干燥獲得三維柔性SLGF材料。使用電子萬能試驗機對SLGF施加0.033%-51%動態(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平臺進行小波去噪與線性擬合；通過紅外熱像儀監(jiān)測焦耳熱驅(qū)動形狀記憶聚合物（SMP）的溫升曲線，利用高速攝像機（1000fps）記錄形狀回復(fù)過程，最終通過MATLAB實現(xiàn)應(yīng)變-電阻-溫度多物理場耦合分析，建立自監(jiān)測器件的動態(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)動自監(jiān)測器件的多物理場耦合系統(tǒng)架構(gòu)

　　實驗結(jié)果：本研究通過構(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)驗證了材料在寬應(yīng)變范圍、極端環(huán)境下的自監(jiān)測性能與功能集成能力。實驗顯示，這種材料制成的傳感器不僅靈敏度極高（微小形變檢測達頭發(fā)絲粗細的千分之一），還能在反復(fù)拉伸3000次后保持穩(wěn)定性能。通過與智能材料結(jié)合，傳感器可在通電后自動變形并實時反饋自身狀態(tài)，在-40℃嚴寒或150℃高溫環(huán)境下仍能可靠工作。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)傳感器只能單獨檢測形變或需要外部供電的局限，為智能機器人、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，例如能實時監(jiān)測自身彎曲狀態(tài)的柔性機械手，或可自動調(diào)整形狀的衛(wèi)星太陽能板。

圖2SS1可變形器件在15V電壓下的形狀回復(fù)過程，插圖為對應(yīng)時刻的紅外照片

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

（b）相對電阻變化隨時間變化曲線（藍）和平均溫度隨時間變化曲線（紅）

圖4SS2在20V電壓下的自監(jiān)測性能測試。（a）形狀回復(fù)過程的紅外照片；

　?。╞）相對電阻變化曲線（藍）和形狀回復(fù)率曲線（紅）

圖5SS2自監(jiān)測可變形器件在不同施加電壓下，對自身變形的監(jiān)測結(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參數(shù)

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