基于激光诱导石墨烯方法制备柔性传感器的工艺及其应用研究

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随着信息时代的应用需求越来越高,人们要在各种复杂环境下,对气体、湿度、压力等复杂信号进行检测。柔性传感器由于其独特的柔韧、延展性,具备非常强的环境适用性,可以更好地满足需求,逐渐被人们关注并得到了发展。柔性传感器中的导电材料有很多种,石墨烯因为自身有着优良的电学性能和机械性能一直被广泛研究,传统制备石墨烯的方法都有各自的弊端,而激光诱导石墨烯可以直接将基底材料按照设计的导电图案转化成导电石墨烯,工艺流程更加简单环保,且可以通过电脑精准调节相关参数把控质量,研究前景广阔。目前针对这种方法本身机理及工艺流程的研究较少且不够清晰。因此,本文针对激光诱导合成石墨烯方法的具体机理展开研究,通过仿真与实验明确相关激光参数影响合成石墨烯的原因以及对合成的石墨烯质量及导电性能的影响程度,最后设计制备了一种检测应力的柔性传感器对其性能进行了测定,并针对人体关节活动度检测的应用设计制备了柔性传感器进行了实验测试。本文的研究对后续针对激光诱导合成石墨烯的研究以及利用该方法制备相关柔性传感器的应用具有促进和帮助作用。首先,本课题针对激光诱导合成石墨烯的机理进行研究,明确是激光的光热效应使材料发生了改性,然后建立加工过程中温度场的物理模型和数学模型,对整个过程进行动态温度场仿真,仿真分析发现对于材料某一点来说,激光功率、激光扫描速度与激光光斑半径通过影响激光的能量值以及激光停留材料表面时间共同影响整个过程的温度场,为后续的研究提供理论依据。接着,在理论基础之上,利用一套商用的激光加工系统,通过调节激光参数,对不同参数下合成的石墨烯质量及电学性能进行了观察测定,实验显示当材料接收能量到某一阀值时才会发生石墨化,在低扫描速度,较高激光功率(使接收能量略大于阀值),适当散焦(提高激光光斑半径)的参数设定下,制备得到的石墨烯质量及电学性能更佳,从而优化了三种激光参数,为后续制备柔性传感器奠定基础。最后,设计制备了一种检测应力的典型柔性传感器,分析图形化设计对其灵敏度的影响,并对其性能进行了测定,然后针对人体关节活动度检测的应用设计制备了柔性传感器进行了实验测试。验证了利用激光诱导合成石墨烯的方法制备柔性传感器的应用可行性,展现了其在人体运动检测应用的巨大潜力。
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