石墨烯纳米片-PVDF可拉伸传感器：从抓握检测到摩尔斯码通信的触觉交互新突破

本文推荐一种基于聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）掺杂石墨烯纳米片（GNPs）的柔性压力传感器，通过溶剂浇铸法制备，展现出卓越的触觉传感性能。研究揭示了2.78 wt.%的渗流阈值和3.14±0.15 kPa?1的高灵敏度（6 wt.% GNP），并通过摩尔斯码通信和抓握检测验证其应用潜力，为可穿戴人机交互系统提供了创新解决方案。

　　

摘要

导电柔性压力传感器因其在触觉交互和健康监测领域的潜力备受关注。本研究通过溶剂浇铸法制备了聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）掺杂石墨烯纳米片（GNPs）的纳米复合材料，系统评估了其电学行为与压力响应特性。直流（DC）和交流（AC）分析表明，材料在2.78 wt.% GNP含量时达到渗流阈值，形成二维导电网络，且频率稳定性优异。压力测试显示，宏观尺度下灵敏度更高（3.14±0.15 kPa^?1），归因于导电网络的显著重构。概念验证实验（如摩尔斯码通信和抓握动作监测）证实了传感器的高灵敏度和实时响应能力，为可穿戴人机交互系统提供了新思路。

实验部分

材料与制备

选用生物相容性热塑性PVDF-HFP为基体，以N,N-二甲基甲酰胺（DMF）为溶剂，通过超声分散将GNPs（2-8 wt.%）与表面活性剂Triton X-100（1:1质量比）均匀混合。溶液经90°C热处理后形成厚度约60.74 μm的薄膜。透射电镜（TEM）和扫描电镜（SEM）显示，超声过程导致GNPs出现褶皱和断裂，但未显著损害电学性能。

电学与压力传感表征

DC测试显示，3 wt.% GNP时电导率突增至1.03±0.24 S/m，8 wt.%时达52.68±5.86 S/m。AC阻抗谱表明材料在10⁵ Hz内稳定性良好。压力测试采用微硬度计和标准砝码，6 wt.% GNP传感器在50 mg载荷下灵敏度最高（3.14 kPa^?1），远超同类研究（如气凝胶传感器）。

结果与讨论

微观结构与电学性能

GNPs的二维分布（t=1.33）和低渗流阈值（2.22 vol.%）表明溶剂浇铸法可有效构建导电网络。尽管超声导致GNPs结构缺陷，但电导率仍优于文献报道的PVDF基复合材料。

压力响应特性

微观测试中，6 wt.%传感器对5-25 g载荷响应稳定，但信号易饱和；宏观测试则能检测低至50 mg的压力，灵敏度提升两个数量级。这种差异源于受力面积对导电网络扰动程度的影响。

应用验证

摩尔斯码实验中，传感器精准区分短按（“点”）和长按（“划”），信号衰减可忽略。抓握监测显示，拇指和食指的ΔR/R₀显著高于小指，而手掌传感器仅在承重时响应，证实其在动作识别中的潜力。

结论

PVDF-HFP/GNPs传感器兼具高灵敏度（3.14 kPa^?1）、快速响应和机械稳定性，适用于触觉交互和健康监测。未来可通过优化GNPs分散工艺进一步提升性能，推动其在柔性电子和软机器人领域的应用。