本發(fā)明涉及應變傳感器領域，尤其是涉及一種激光制備不同石墨烯圖案應變傳感器的方法。
背景技術：
應變傳感器通常是利用電阻應變效應制成的傳感器，它將試件上的應變轉換成電阻變化，從而測量局部的變形狀況，可用于損傷檢測、結構的表征以及疲勞測試等多個領域。應變傳感器的核心元件是電阻應變計。傳統(tǒng)的應變傳感器經過多年的發(fā)展，雖然已經具有高靈敏度、低成本等多種優(yōu)勢，但由于自身結構等原因仍具有一些固有的缺點，如傳統(tǒng)的應變傳感器大多固定的定向式傳感器，應變傳感器只能在特定的方向才能進行；在微納米尺度上具有較低的分辨率，且較難嵌入到結構材料中進行測試。因此基于納米材料以及其合成組件的傳感器由于其獨特的應變傳感性能日益引起了研究者的關注，如碳納米管、氧化鋅納米線等均可作為新型應變傳感器的選用材料。
石墨烯的出現(xiàn)為新型應變傳感器提供了一個更好的選擇，其超高表面積、優(yōu)異的靈敏度、極快的響應時間、以及良好的重復性和穩(wěn)定性都使得石墨烯在該領域具有無可比擬的優(yōu)越性。石墨烯的傳感器中，理想的完美石墨烯薄膜在應變作用下，其結構將幾乎保持穩(wěn)定不變，因此電阻的變化不明顯，并不體現(xiàn)出靈敏性。然而當石墨烯具有一定的拓撲結構時，當施加單軸向的應變調制時，其缺陷處、邊界處隨著應變的變化發(fā)生明顯的變化，導致電導等特性也隨之發(fā)生變化，利用此特性，可應用于高靈敏度的應變傳感器。同時由于石墨烯的柔性、透明等特質，這類具有拓撲結構的石墨烯制成的傳感器可被嵌入到其他功能材料當中，構成新的具有多種功能、多方位的綜合應用傳感器。此外，該材料的彈性模量高、電學性能優(yōu)異，對比傳統(tǒng)的應變傳感器，這類傳感器常具有納米尺度的高分辨及多元化的應用場合等優(yōu)勢。
li等人以銅網為基底，采用化學氣相沉積方法合成二維網狀編織結構石墨烯，并以此組裝成應變傳感器。該傳感器具有可伸縮及高靈敏度等特性，在2%拉伸應變時電阻變化約為10倍，在8%拉伸應變時電阻變化約為10000倍。yang等人在上述工作基礎上，探索這類傳感器在人體姿態(tài)、脈搏、心跳和體溫等檢測中的實際應用，并制成可穿戴式的電子器件。上述兩項工作中均認為石墨烯對拉伸應變的靈敏反饋主要由于石墨烯的“不完美”，首先石墨烯在生長過程中晶粒與晶粒之間并不是無縫拼接，而是呈現(xiàn)多種形態(tài)，例如相鄰晶粒相互搭接或存在間距，在拉伸過程中，搭接的區(qū)域趨于減少，而間距趨于增大，導致電阻變大；其次石墨烯網狀結構中存在許多邊界、點缺陷等缺陷，在拉伸作用下，缺陷擴展，也將導致電阻變大。然而兩項工作中的石墨烯網狀結構強烈依賴基底銅網的結構，目前僅以方形圖案為主，其他圖案并未涉及，這一方面的研究仍是一片空白。同時激光非接觸式加工特點，使得激光在材料圖案化領域具有得天獨厚的優(yōu)勢，可以在無任何掩膜條件下，實現(xiàn)任意預設的圖案點陣。
本發(fā)明針對石墨烯在可穿戴式高靈敏度應變傳感器的應用，提出一種激光制備圖案化石墨烯應變傳感器的方法。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有技術中無法將不同圖案石墨烯拓撲結構的制備成響應傳感器的問題，提供一種激光制備不同石墨烯圖案應變傳感器的方法，本發(fā)明通過利用激光制備出不同圖案石墨烯拓撲結構的方法，再將其制成不同靈敏度的應變傳感器。
本發(fā)明為解決上述技術問題的不足，所采用的技術方案是：
一種激光制備不同石墨烯圖案應變傳感器的方法，包括如下步驟：
步驟一、制備柔性透明橡膠基底，將透明橡膠的基本組份與固化劑混合后固化制備而成厚度為2-10mm的矩形基底，一般通過將透明橡膠的基本組份和固化劑的按一定配比混合，然后充分攪拌產生氣泡，放入超聲清洗儀器中超聲8-15分鐘，直至氣泡完全消失后，將混合液體倒入模具中，放入烘箱中固化，在制造過程中整體大小根據(jù)加工需要確定，需要保證其厚度為2-10mm，采用其他方法制備基底依然可行。
步驟二、取若干化學氣象沉積法成長得到的石墨烯，并將石墨烯上的銅箔樣品放入銅刻蝕液表面將銅箔去除，待銅刻蝕完全后，用濾紙將去除銅箔后的石墨烯轉移至去離子水中，浸泡50-70min，然后再將處理后的石墨烯轉移至新的去離子水中，浸泡50-70min，然后將石墨烯轉移并平鋪在步驟一制備的柔性基底上，備用；
步驟三、用超短脈沖激光束輻照步驟二中轉移并平鋪至柔性基底上的石墨烯，激光束按照石墨烯預設的陣列圖案確定其預設路徑，激光束按照預設路徑快速移動，通過激光束輻照矩形基底上的石墨烯，從而在柔性透明基底表面的石墨烯形成圖案化石墨烯；
步驟四、在步驟三中位于矩形基底圖案化石墨烯兩個平行邊上刷一層銀膠，取銀線分別沾在位于石墨烯兩側的銀膠上，待銀線固定后再在銀線上方刷上一層銀膠將銀線封裝好，組裝成應變傳感器。
所述的步驟一中柔性透明橡膠基底的材質可為聚二甲基硅氧烷或者聚對苯二甲酸乙二醇中的任意一種。
所述的步驟二中化學氣象沉積法成長得到的石墨烯為6-8層，采用過薄的石墨烯其拓撲結構不明顯，采用層數(shù)過多造成過厚將會失去拓撲結構特性。
所述的步驟三中的超短脈沖激光束為飛秒激光、皮秒激光或者納秒激光中的任意一種激光集合而成，飛秒激光、皮秒激光和納秒激光的波長分別為1030nm、355nm、532nm，所述飛秒激光器的平均功率為40w，皮秒激光器和納秒激光器的平均功率均為20w，超短脈沖激光束中的各個激光通過高斯分布的方式進行排列。
所述的步驟三中的超短脈沖激光束通過正交實驗優(yōu)化其功率密度、光斑內能量分布、掃描速度和激光頻率參數(shù)。
所述的步驟三中預設圖案為圓形、三角形、正方形、長方形或者折線型中的任意一種圖案組成的圖案陣列，各個圖形的尺寸為50-200μm，各個圖形陣列之間的間距為50-1000μm。
所述步驟四中的銀線直徑為0.1-1.0mm。
本發(fā)明的有益效果是：(1)本發(fā)明利用超短脈沖激光超高能量的特點，對石墨烯的燒蝕可實現(xiàn)冷加工，即利用激光能量直接打斷碳碳鍵，去除材料，而不引起熱作用，因此可獲得質量優(yōu)異的石墨烯邊界；(2)采用聚焦的激光束配合振鏡的高速運動可掃描出任意可設計的圖案，是一種柔性、靈活的方法；(3)本發(fā)明制備過程不涉及可燃性氣體（例如甲烷、乙烯等），整個制備過程安全、無污染，常溫常壓下開放環(huán)境中完成制備過程，是一種環(huán)境友好、容易操作的工藝方法。(4)設計的不同圖案制備出的應變傳感器可獲得不同的靈敏度，適用于不同領域。綜上所述，本發(fā)明提供了一種方便快捷、低成本高效率的在非金屬表面制備圖案化石墨烯的新方法，本發(fā)明所得到產品的應用領域包括可穿戴器件、高靈敏度傳感器等領域。
具體實施方式
一種激光制備不同石墨烯圖案應變傳感器的方法，包括如下步驟：
步驟一、制備柔性透明橡膠基底，將透明橡膠的基本組份與固化劑混合后固化制備而成厚度為2-10mm的矩形基底，一般通過將透明橡膠的基本組份和固化劑的按一定配比混合，然后充分攪拌產生氣泡，放入超聲清洗儀器中超聲8-15分鐘，直至氣泡完全消失后，將混合液體倒入模具中，放入烘箱中固化，在制造過程中整體大小根據(jù)加工需要確定，需要保證其厚度為2-10mm，采用其他方法制備基底依然可行。
步驟二、取若干化學氣象沉積法成長得到的石墨烯，并將石墨烯上的銅箔樣品放入銅刻蝕液表面將銅箔去除，待銅刻蝕完全后，用濾紙將去除銅箔后的石墨烯轉移至去離子水中，浸泡50-70min，然后再將處理后的石墨烯轉移至新的去離子水中，浸泡50-70min，然后將石墨烯轉移并平鋪在步驟一制備的柔性基底上，備用；
步驟三、用超短脈沖激光束輻照步驟二中轉移并平鋪至柔性基底上的石墨烯，激光束按照石墨烯預設的陣列圖案確定其預設路徑，激光束按照預設路徑快速移動，通過激光束輻照矩形基底上的石墨烯，從而在柔性透明基底表面的石墨烯形成圖案化石墨烯；
步驟四、在步驟三中位于矩形基底圖案化石墨烯兩個平行邊上刷一層銀膠，取銀線分別沾在位于石墨烯兩側的銀膠上，待銀線固定后再在銀線上方刷上一層銀膠將銀線封裝好，組裝成應變傳感器。
所述的步驟一中柔性透明橡膠基底的材質可為聚二甲基硅氧烷或者聚對苯二甲酸乙二醇中的任意一種。
所述的步驟二中化學氣象沉積法成長得到的石墨烯為6-8層，采用過薄的石墨烯其拓撲結構不明顯，采用層數(shù)過多造成過厚將會失去拓撲結構特性。
所述的步驟三中的超短脈沖激光束為飛秒激光、皮秒激光或者納秒激光中的任意一種激光集合而成，飛秒激光、皮秒激光和納秒激光的波長分別為1030nm、355nm、532nm，所述飛秒激光器的平均功率為40w，皮秒激光器和納秒激光器的平均功率均為20w，超短脈沖激光束中的各個激光通過高斯分布的方式進行排列。
所述的步驟三中的超短脈沖激光束通過正交實驗優(yōu)化其功率密度、光斑內能量分布、掃描速度和激光頻率參數(shù)。
所述的步驟三中預設圖案為圓形、三角形、正方形、長方形或者折線型中的任意一種圖案組成的圖案陣列，各個圖形的尺寸為50-200μm，各個圖形陣列之間的間距為50-1000μm。
所述步驟四中的銀線直徑為0.1-1.0mm。
具體實施方式如下：
實施例一飛秒激光在聚二甲基硅氧烷（pdms）上刻蝕三角形石墨烯圖案陣列
步驟1、制備pdms基底
dc184和固化劑的配比10：1，充分攪拌產生氣泡，放入超聲清洗儀器中超聲10分鐘，氣泡完全消失，倒入模具中（5cm*5cm*1cm）在80℃的烘箱中固化7小時。
步驟2、石墨烯轉移
配制濃度為0.5mol/l的fecl3/hcl溶液用于刻蝕銅，裁剪1cm*1cm面積的石墨烯/銅箔放入刻蝕液表面?？涛g4小時后，用濾紙將石墨烯轉移至去離子水中，浸泡1小時后，再轉移至新的去離子水中，浸泡1小時后，轉移至步驟1所述的pdms基底。
步驟3、激光制備圖案化石墨烯
用飛秒（fs）激光束輻照步驟2所述石墨烯/pdms表面，光斑直徑為1-50μm，功率為2-40w，掃描速度為100-2000mm/s，重復頻率1-200khz。預先設計邊長和間距均為100μm的三角形陣列，配合振鏡的二維運動或機床的移動，激光束輻照區(qū)域的石墨烯由于激光的高能量而被燒蝕，最終實現(xiàn)了在步驟1所述的柔性透明基底表面形成三角形陣列的圖案化石墨烯。采用多種表征手段對步驟3所述方法制得的石墨烯圖案進行結構表征。
步驟4、圖案化石墨烯應變傳感器組裝和測試
在步驟3所述的三角形陣列圖案化石墨烯兩側刷上銀膠，再將銀線粘上，最后刷上一層銀膠將銀線封裝好，組裝成應變傳感器。采用instron拉伸機對石墨烯傳感器施以軸向應變，測試其電阻變化。在10%的應變作用下，該傳感器的靈敏度為19.3。
實施例二飛秒激光在聚二甲基硅氧烷（pdms）上刻蝕圓形石墨烯圖案陣列
步驟1、制備pdms基底
dc184和固化劑的配比10：1，充分攪拌產生氣泡，放入超聲清洗儀器中超聲10分鐘，氣泡完全消失，倒入模具中（5cm*5cm*1cm）在80℃的烘箱中固化7小時。
步驟2、石墨烯轉移
配制濃度為0.5mol/l的fecl3/hcl溶液用于刻蝕銅，裁剪1cm*1cm面積的石墨烯/銅箔放入刻蝕液表面?？涛g4小時后，用濾紙將石墨烯轉移至去離子水中，浸泡1小時后，再轉移至新的去離子水中，浸泡1小時后，轉移至步驟1所述的pdms基底。
步驟3、激光制備圖案化石墨烯
用飛秒（fs）激光束輻照步驟2所述石墨烯/pdms表面，光斑直徑為1-50μm，功率為2-40w，掃描速度為100-2000mm/s，重復頻率1-200khz。預先設計邊長和間距均為100μm的圓形陣列，配合振鏡的二維運動或機床的移動，激光束輻照區(qū)域的石墨烯由于激光的高能量而被燒蝕，最終實現(xiàn)了在步驟1所述的柔性透明基底表面形成圓形陣列的圖案化石墨烯。采用多種表征手段對步驟3所述方法制得的石墨烯圖案進行結構表征，包括拉曼光譜、掃描電鏡、透射電鏡、原子力顯微鏡、x射線衍射譜儀等。
步驟4、圖案化石墨烯應變傳感器組裝和測試
在步驟3所述的圓形陣列圖案化石墨烯兩側刷上銀膠，再將銀線粘上，最后刷上一層銀膠將銀線封裝好，組裝成應變傳感器。采用instron拉伸機對石墨烯傳感器施以軸向應變，測試其電阻變化。在10%的應變作用下，該傳感器的靈敏度為496.7。
由以上實施例可以得出采用本方法可以得到通過不同的圖案的石墨烯，從而獲得不同靈敏度的傳感器。
本發(fā)明所列舉的技術方案和實施方式并非是限制，與本發(fā)明所列舉的技術方案和實施方式等同或者效果相同方案都在本發(fā)明所保護的范圍內。