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激光制成石墨烯,用于可穿戴健康设备

来源:荣格-《国际工业激光商情》 发布时间:2021-10-09 703
工业金属加工工业激光激光设备零部件光学材料与元件其他 应用及案例
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多晶金刚石和工业陶瓷都具有极高的耐磨性。材料的这种特殊性对于加工处理并不友好。但是,当前的激光技术可以为加工耐磨性材料提供解决之道。

根据美国宾夕法尼亚州立大学领导的国际研究团队的说法,石墨烯是由单层六边形排列的碳原子组成,具有优异的柔韧性和高导电性。未来,石墨烯材料可以推动柔性电子产品的发展。该校大学工程科学与力学系教授Huanyu Cheng领导了这项研究。研究团队最近发表了两项研究成果,为运动检测、触觉传感和健康监测设备的研究开发提供所需的信息。


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激光加工如何影响石墨烯的形式和功能


目前有几种物质可以通过激光辐射转化为碳来制造石墨烯。这种方法称为激光诱导石墨烯 (LIG),所得的产品具有由原始材料决定的特定特性。该研究团队测试了这个过程,并在《中国科学:技术科学》(英文版)上发表了他们的研究结果。


聚酰亚胺样品是一种塑料,通过激光扫描进行照射。研究人员改变了激光功率、扫描速度、照射次数和扫描线密度,以此研究不同的激光加工过程如何产生不同的纳米结构。结果表明,改变激光功率能够以纤维或泡沫结构制造出石墨烯。


具体来说,在从7.2W到大约9W的较低激光功率照射下,会形成具有许多超细层的多孔泡沫。这种激光诱导石墨烯泡沫具有导电性和良好的抗热损伤能力,这两种特性都可用于电子设备的组件。


将功率从9W增加到12.6W,激光诱导石墨烯的形成模式从泡沫变成了小纤维束。纤维束的直径随着激光功率的增加而变大,而更高功率促进了光纤网络的网状增长。纤维结构显示出比泡沫更好的导电性。据Huanyu Cheng称,增强性能与纤维形式相结合可以为传感设备开辟新的可能性。


Huanyu Cheng表示,总的来说,这是一个可以用来构建其他组件的导电框架。只要纤维具有导电性就可以将其用作支架,并对表面进行大量后续修改以启用许多传感器。例如皮肤上的葡萄糖传感器或伤口感染检测器。
实验结果表明,不同激光功率情况下的激光扫描速度、密度和照射次数会直接影响材料的导电性和后续性能。更多的激光照射致使材料形成更高的导电性,但最终由于燃烧产生的过度碳化而下降。

演示低成本的激光诱导石墨烯传感器


以之前的研究为基础,Huanyu Cheng所在的团队着手设计、制造和测试灵活的激光诱导石墨烯压力传感器。“压力传感器非常重要,”Huanyu Cheng谈到,“我们不仅可以在生活和工业制造中使用它们,还可以在皮肤表面使用它们来测量来自人体的大量信号,比如脉搏。它们还可以用于人机界面,以提高假肢的性能并监测附着点。”


该团队测试了两种设计。首先,他们在两个含有铜电极的聚酰亚胺层之间夹入了一层薄薄的激光诱导石墨烯泡沫层。当施加压力时,激光诱导石墨烯发电。泡沫中的空隙减少了电流传输路径的数量,从而更容易定位压力源,并且提高了对微妙触摸的敏感性。


第一个设计是一个感应器,当它附着在手背或手指上时可以检测弯曲和伸展的手部运动,同时还可以监测到心跳的特征。这种脉搏读数还可以与心电图结合,从而在没有袖带的情况下完成血压测量。


在第二种设计中,研究人员将纳米粒子加入激光诱导石墨烯泡沫中。这些微小的二硫化钼球体(一种可以充当导体和绝缘体的半导体)增强了泡沫的敏感性和对物理力的抵抗力。这种设计还可以重复使用,在近1万次使用后表现出几乎相同的性能。


Huanyu Cheng表示,这两种设计都具有成本效益,并且可以进行简单的数据采集。研究人员计划继续探索这些设计,作为用于健康监测的独立设备或与其他现有设备配合使用。


文/宾夕法尼亚州立大学


来源:荣格-《国际工业激光商情》


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