基于碳泡沫的柔性传感材料制备及其性能研究

张志 尚盈辉

（深圳微检无忧科技有限公司 广东省深圳市 518000）

当今社会计算机信息技术的飞速发展，传感器在人们的日常生活、舒适化工作学习和企业的自动化生产中的应用价值进一步凸显，尤其是在智能制造、工程进步和矿产资源、近海领域等的开发中的应用不断增加，为各行各业经济效益获取奠定了扎实的基础。随着现阶段人们对传感器测试精度等要求的不断提高，传统模式下的传感器技术应用已然不能满足人们的日常生活需求，不能弯曲、无法在水体环境或其他特殊环境中测试等性质，均不能满足当代产业发展要求，全新市场发展对传感器提出了高柔性、强准确率和高稳定性等基本需求。压力传感器作为日常生活和工业生产应用最广泛的重要类型，近年来常用的晶体管式传感、压阻式传感、压电式传感、电容式传感、压电陶瓷传感器等诸多类型，在实际使用过程中或多或少地存在敏感性能不足、稳定性不够或者是使用环境受到限制等诸多弊端，也就难以满足传感器使用要求，因此，本文提出一种碳泡沫水凝胶柔性传感器材料的制备，通过便捷的制备过程、较低廉的成本制得，借助碳泡沫和水凝胶诱导后发生的化学反应，通过两者之间骨架和离子形成的双电层电容结构，实现传感器设备电容变化的压力参数值测试，最终为高性能的柔性传感器的制备奠定更扎实的基础。因此，本文对碳泡沫和水凝胶的柔性传感器的制备研究，也就具备重要理论意义和现实价值。

1 柔性传感材料概述

随着我国经济社会的飞速发展和计算机科技的不断进步，传感器技术在智能制造、工业4.0、物联网产业园区等的应用范围进一步拓宽，在促进产业经济发展和保障机械设备等的正常运行上做出了重要贡献。与此同时，随着当代电子信息技术等的发展，人们对传感器，尤其是柔性传感器的灵敏度、测量准确效率和力学性能上的要求进一步提高，寻求高性能的柔性传感器材料，制备更优质的传感器元器件也就获得诸多研究学者的关注。

在某些特殊的实验环境条件、应用环境条件或者是部分复杂度较为高的实验器件中，可能会存在着某些特殊的传感器，例如在生物体结构当中，由于生物体结构大多由较软的材料构成，坚硬材料并不能够满足生物体传感器材料的基本要求，该类特殊环境的特殊需求也就促进了柔性传感可折叠甚至是弯曲、可穿戴、便于携带等诸多原材料的发展，该类柔性材料主要包括聚乙烯醇、聚酯纺织材料等，一般具备容易变形和低模量等特质，能够与传感器整合后使传感器具备柔性材料延展性好和可弯曲+可折叠等诸多优势。

2 碳泡沫水凝胶柔性传感材料制备

在碳泡沫水凝胶柔性传感器材料的制备过程中，主要探究柔性传感器材料制备的实验原材料、实验仪器、基本制备方法和各环境制备影响因素对整个碳泡沫水凝胶柔性传感器材料最终成型性能的相关影响。首先，就分析碳泡沫水凝胶柔性传感器制备过程中的原材料而言，本文柔性传感器的制备所用原材料主要包括碳泡沫、丙烯酰氨、氯化铝、过硫酸铵等诸多原材料，具体参数如表1 所示。进一步分析碳泡沫水凝胶柔性传感器材料制备所需的实验仪器，整个试验过程用到的化学实验仪器主要包括恒温干燥箱、力学测试仪、电子分析天平等，其试验仪器参数如表2 所示。

表1： 原材料参数表

表2： 实验仪器参数表

进一步分析碳泡沫水凝胶柔性传感器材料过程中的制备方法，整个制备过程示意图如图1 所示，首先将碳泡沫剪成6mm×2.5mm×2mm 尺寸的相同大小的长条，然后再配置水凝胶的基础前提下，通过试验进一步探究碳泡沫水凝胶的配比，调整合适的泡沫水凝胶的配比，将调制好的水凝胶母液快速浸润到碳泡沫结构中，然后将混合溶液倒入培养皿中，将混合溶液的培养皿密封后放入恒温干燥箱，在50℃的恒温条件下放置两个小时左右，保证恒温干燥箱中的水凝胶完全成型，最后再取出样品，得到碳泡沫水凝胶柔性传感器制作的基本材料。

图1： 制备过程示意图

为了进一步验证本文制备所得到的泡沫水凝胶柔性传感器材料的相关性能是否符合预期需要，保证后续传感器材料制备各项参数性能能够达到预期要求，本文进一步对水凝胶成型过程中的相关影响因素进行了分析，避免由于水凝胶母液在结束成型过程后不能够得到固体水凝胶产物，造成整个碳泡沫水凝胶柔性材料相关性能达不到预期的尴尬情形，本文主要探究温度和部分原始药品浓度的影响。在探究温度对水凝胶成型过程的相关影响时，在水凝胶配比基本参数条件不变的前提下，设置50℃、60℃、70℃、80℃四个不同的反应温度，进一步观察水凝胶成型的基本状况，其结果如表3 所示，由表可知，在水凝胶配比母液基本配比参数不变的前提下，随着聚合温度的不断增加，水凝胶配比溶液并不会发生聚反应，由此可知在碳泡沫水凝胶柔性传感器材料的制备过程中，水凝胶的反应温度并不是导致整个传感器材料不能快速成型的主要原因。在排除温度因素的条件下，根据试验过程分析和相关参考文献，推导是否在碳泡沫水凝胶柔性传感器材料制备过程中发生了复合反应，导致了原有药品浓度值降低，最终使得聚合反应不能够充分完成，因此，进一步对原始配方中相关药品的浓度进行研究试验，在药品浓度提高五倍的前提下，发现碳泡沫水凝胶柔静传感器材料的整个制备过程能够顺利完成，水凝胶能够顺利成型，更加印证了碳泡沫水凝胶柔性传感器材料在制备过程中发生了一定的药品浓度损失，导致最终的浓度不能够达到聚合反应的相关标准。深入探究泡沫水凝胶复合过程中各药品的浓度变化，研究具体的浓度变化导致的聚合物反应无法产生，由此在对所有药品浓度提高十倍的基础上，逐个研究任意碳泡沫水凝胶柔性传感器材料制备过程中基础反应物浓度对整个聚合物反应的影响，得到最佳的反应物浓度配比参数。首先是对单体浓度参数影响进行分析，除了丙烯酸铵以外，在保持其他浓度条件基本不变的前提下，将丙烯酸氨的浓度从原始浓度提高五倍，配置水凝胶母液混合溶液，观察水凝胶制备柔性传感器材料的混合液是否能够快速发生聚合反应，结果如表4 所示，由表可知，丙烯酰胺从初始浓度值提高到五倍大变化浓度之后，水凝胶母液均发生聚合反应，但是原始的丙烯酰胺浓度和碳泡沫并不会进一步发生聚合反应，当浓度值提高到两倍时，才能够与碳泡沫发生聚合反应，由此认为丙烯酰胺的浓度值应该为始浓度值的两倍，也就是四摩尔每升。

表3： 聚合物温度反应情况

表4： 丙烯酸铵浓度变化后的样品制备结果示意表

在探究引发剂对碳泡沫水凝胶柔性传感器材料制备过程的影响，当丙烯酰胺浓度值为四摩尔每升时，除去引发剂之外的其他药品浓度值基本保持不变，但引发剂的浓度从原始浓度提高到了原始浓度的五倍，进而配置水凝胶母液混合溶液，观察水凝胶母液和制备柔性传感器的材料是否能够发生聚合反应，结果如表5 所示，由表可知，引发剂的浓度为原始配方溶液浓度的两倍，也就是1.22×10 的负三次方摩尔，此时水凝胶母液能够和碳泡沫发生聚合反应，也就能够使泡沫水泥胶柔性传感器材料快速制备完成。

表5： 引发剂变化后的样品制备结果示意表

3 压力感性性能

在详细论述碳泡沫水凝胶柔性复合材料的制备方法，并验证了柔性材料制备过程中不同影响因素对最终制得的碳泡沫水凝胶柔性传感器材料相关性能的影响的基础上，进一步以制得的碳泡沫水凝胶柔性传感器为实验研究对象，对整个传感器的压力感性性能进行分析，由于传感器最终制得的材料之所以能够检测到外界普通荷载进行条件下各种力学刺激的作用，仅仅是因为碳泡沫和能够和聚合物水凝胶进一步复合，从而使碳泡沫水凝胶复合物和水凝胶中的基本离子，能够在接触界面处产生力学作用，然后形成一定的双电层电容，从而借助外在环境荷载作用改变原有的碳碳泡沫和水凝胶物质之间的接触面积，导致两者在接触面所形成的大小引起双电容参数值发生变化，由此对泡沫水凝胶复合柔性传感器材料的压力感应性能进行分析，就能够得到最终柔性传感器材料试验性能。本文对碳泡沫水凝胶柔性传感器材料的压力感应进行试验，主要采取了连续加载试验，通过对其柔性传感器接触面积变化而导致的双电层电容参数值变化得到最终的实验影响。在连续加载试验过程中，检测得到碳泡沫水凝胶柔性传感器材料所制得的传感性能，实际取样后进行垂直表面的压力测试，以增加荷载的试验方式测试碳泡沫水凝胶柔性传感器材料最终的性能参数，以此计算传感器材料的压力感应灵敏度。在整个过程中，取得制备好的碳泡沫水凝胶柔性传感器材料基本试块，在试块上下贴上导电胶作为电极结构，利用通道电胶将导线粘到一定的电极上，从而将电机连接到阻抗分析仪器上，将碳泡沫水凝胶柔性传感器材料的原始实验固定在力学试验机结构上。为了最大限度的防止外界荷载受力不均匀而导致的实验结果的不准确和不科学，避免实验过程中试验机压头和电极联通后产生的不良影响，在电极和试验机压头之间增加了保玻璃片，避免最终测得的参数值出现较大误差。对试验进行压力递增的荷载作用后，每次增加荷载作用为0.5 千帕，在荷载施加保持两秒后记录碳泡沫水凝胶柔性传感器材料的电容值，直到加载到3 千帕之后停止外界荷载的增加，其试验结果如图2 所示，由图可知，随着外界荷载的逐步增加，碳泡沫水凝胶柔性传感器的电容参数逐步增大，当压力直进一步增加到3000 帕时，碳泡沫水凝胶柔性传感器材料的电容参数值增加到了初始荷载施加时的七倍，整个电容变化率参数随外界施加参数的增加而增加，整体呈现正比例关系，能够在图上拟合出一条电容变化率参数，该参数随着外界施加的荷载变化参数而变化，其趋势图斜率大致为2.33。

图2： 实验结果图

4 实际应用

为了进一步研究碳泡沫水凝胶柔性传感器材料的实际应用价值，本文以简单的检测实验探究。在吹气检测试验过程中，将制备所得到的材料上下两面贴上铜电机之后固定在某一玻璃板块上，利用铜线将电机连接到相应的阻抗分析仪上，从而采取大中小不同的力量对其进行吹气，记录阻抗仪上的电容值参数变化，整个试验结果如图3 所示。由图可知，图上黑色、红色和蓝色三条曲线分别代表中小、中、大三种不同的外界吹气过程，明确在施加力作用后产生的空气流数值大小。当采用较小的荷载时，试验的实际电容参数值较小，而当逐渐增大吹气力量时，试验得到的电容值随之增大，整个实验过程中产生的电容值的具体变化过程较为稳定，能够对不同大小的气流做出较为准确的反应和灵敏，由此可知，在经过了一定的信号转换之后的电容和电功率放大处理之后，碳泡沫水凝胶传感器材料依旧能够以制得的麦克风将初始的声波参数值转换为电信号，从而使该材料在捕捉低频声波等应用场景中得到其具体价值的实现。

图3： 试验结果图

5 结论

本文以水凝胶中的离子结构与水凝胶接触面形成的双层电容结构为例，通过在双层电容结构中增加外界力作用刺激的方式，改变双层电极中水凝胶表面的接触面积，从而达到改变最终电容值大小的方式，制得性能优良的柔性传感器材料。文章在论述柔性传感材料的基础上，探究了碳泡沫水凝胶柔性传感材料的制备过程，以制得的柔性原材料为基础，实现碳泡沫水凝胶柔性传感材料压力参数得感性性能研究和分析，最后借助实践应用，获得关于柔性传感器材料制备的具体经验。在此过程中，碳泡沫水凝胶柔性传感材料的制备，借助高密度三聚氰胺泡沫碳化后的生成物，维持传感器制备材料的原有孔结构，在选择最佳碳化温度为以保证碳泡沫孔结构基本完整的前提下，保持碳泡沫水凝胶柔性传感器制备材料的力学性能和物理弹性等符合预取，最后引入碳泡沫对水凝胶起到明显的增强作用，最终制备的碳泡沫水凝胶复合材料在外界荷载作用下能够表现为弹性变形，具备较良好的弹性性能和形状恢复能力，达到传感器设备的功能使用要求。