一种高灵敏度可拉伸柔性应变传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种高灵敏度可拉伸柔性应变传感器及其制备方法。所述柔性应变传感器包括由石墨烯和带有裂纹的镍膜由内至外依次包覆聚氨酯海绵形成的复合材料，以及封装所述复合材料的封装层。本发明专利技术在聚氨酯海绵上设有石墨烯和带有裂纹的镍膜，可以在拉伸时极大的提高传感器灵敏性，PDMS封装使柔性应变传感器的可弯曲和拉伸性能进一步提高，解决了在传感器在拉伸应变时灵敏度不高、可拉伸性不高、长时间使用稳定性不好的问题，大大提高了传感性能。本发明专利技术的方法简单，成本低，解决了柔性应变传感器工艺复杂，成本高，以及制备的柔性应变传感器导电性低和循环使用性较差的问题。

A highly sensitive extensible flexible strain sensor and its preparation method

The present invention provides a highly sensitive stretchable flexible strain sensor and a preparation method. The flexible strain sensor includes a composite material made of graphene and a nickel film with cracks, which is wrapped by polyurethane foam from inside to outside, and the encapsulation layer of the composite material is encapsulated. The invention is provided with graphene on polyurethane foam and nickel film with crack, can improve the sensor sensitivity greatly in tension, PDMS package make flexible strain sensors can further improve the tensile and bending properties, solves the sensor in tensile strain sensitivity is not high, the tensile strength is not high, the stability is not used for a long time good question, greatly improve the sensing performance. The invention has the advantages of simple method and low cost, and solves the problems of flexible and strained sensor, such as complex process, high cost, and low flexibility of the flexible strain sensor and poor cycle usage.

【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏度可拉伸柔性应变传感器及其制备方法
本专利技术涉及复合材料领域，涉及一种柔性应变传感器及其制备方法，尤其涉及一种高灵敏度可拉伸柔性应变传感器及其制备方法。
技术介绍
随着柔性可穿戴设备和机器人产业的发展，智能可穿戴柔性设备在人们的生活以及人机交互界面方面已经有了很大的应用，逐渐成为未来智能科技发展的一项重要方向和技术。对于柔性可穿戴设备来说，在不同应变下保持较为稳定的灵敏度，是是实现其功能正常运转的重要部分。因此，研发具有不同应变下高导电性、高可靠性的柔性应变传感器变得很重要。在目前柔性应变传感器的研究中，石墨烯、碳纳米管、金属纳米线、金属纳米颗粒作为导电基元已经取得了很大的进展。一方面，金属纳米线或金属纳米颗粒具有良好的导电性，但是其成本较高，且制备方法较为复杂。另一方面，石墨烯作为目前科学研究的热点材料，以其低成本的制备方法及优异的电学性能，逐渐成为柔性应变传感器研究的重点关注材料。通过对现有石墨烯基的柔性应变传感器的研究进行总结，可以发现，近年来报道的主要方法有：(1)通过将石墨烯与柔性聚合物复合，制备复合材料作为柔性应变传感器；(2)通过将石墨烯与金属纳米线混合，制备出复合纳米材料，再用柔性基底封装成为柔性应变传感器；(3)通过将石墨烯与其他导电材料的复合，在实验方法上进行巧妙设计，使制备的柔性应变传感器具有良好性能。上述制备方法得到的柔性应变传感器都具有三维结构，这种三维结构保证了其在应用时的低成本、稳定性、可大规模制备的优点。2016年重庆大学Li等采用普通面巾纸吸附碳黑后，用PDMS进行封装制备得到CP/PDMS应变传感器，制备的这种应变传感器的灵敏度因子为25.3(ACSSustainableChem.Eng.DOI:10.1021/acssuschemeng.6b00783)。2016年中国科学院深圳先进技术研究院Li等通过在三维石墨烯气凝胶中灌注PDMS，经过固化后，得到三维石墨烯基柔性应变传感器，该传感器可以拉伸至30％的应变且灵敏度因子最高为98.66(ACSAppl.Mater.Interfaces2016,8,18954-18961)。2016年清华大学Wang等通过将丝织物在高温下碳化后灌入PDMS，经过固化后，得到可拉伸柔性应变传感器，该传感器的灵敏度因子为9.6～37.5(Adv.Mater.2016,28,6640–6648)。但目前，柔性应变传感器同样具有一些需要提高的地方，如灵敏度不够高，可拉伸度不够高，长时间使用稳定性不好等。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于克服现有技术存在的缺点和不足提供一种柔性应变传感器及其制备方法，该柔性应变传感器解决了在传感器在拉伸应变时灵敏度不高、可拉伸性不高、长时间使用稳定性不好的问题，大大提高了传感性能。本专利技术所述“高灵敏度可拉伸柔性应变传感器”指：该柔性应变传感器是具有拉伸性能的，且该柔性传感器的应变灵敏性好，灵敏度因子在150.24～3390.06。为达上述目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种柔性应变传感器，尤其是一种高灵敏度可拉伸柔性应变传感器，所述柔性应变传感器包括由石墨烯和带有裂纹的镍膜由内至外依次包覆聚氨酯海绵形成的复合材料，以及封装所述复合材料的封装层。本专利技术的柔性应变传感器中，聚氨酯海绵上由内至外设有石墨烯和带有裂纹的镍膜，而且该复合物被PDMS封装。石墨烯和带有裂纹的镍膜按上述方式的引入可以在拉伸时极大的提高传感器灵敏性，PDMS封装使柔性应变传感器的可弯曲和拉伸性能进一步提高。本专利技术的柔性应变传感器的导电性好，灵敏度高，灵敏度因子最大可达3390.06；可拉伸性好，可拉伸最大应变可达65％；封装性好，且循环性能优异。作为本专利技术所述柔性应变传感器的优选技术方案，所述封装层的厚度为0.5mm～1.5mm，例如0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、1mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm或1.5mm等，优选0.5mm～1mm。优选地，所述封装层为聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)膜。优选地，所述PDMS膜是由形成在石墨烯包覆的聚氨酯海绵上的半固化的PDMS膜进一步固化得到的。本专利技术的柔性应变传感器中，聚氨酯海绵为超薄聚氨酯海绵。作为本专利技术所述柔性应变传感器的优选技术方案，所述聚氨酯海绵(也称为聚氨酯海绵层)的厚度为0.5mm～2mm，优选0.8mm～1mm。优选地，所述聚氨酯海绵的长度为15mm～30mm，优选20mm～25mm。优选地，所述聚氨酯海绵的宽度为5m～15mm，优选8mm～10mm。优选地，所述带有裂纹的镍膜的厚度为1μm～3μm，例如1μm、1.2μm、1.4μm、1.5μm、1.6μm、1.8μm、2μm、2.2μm、2.4μm、2.5μm、2.7μm或3μm等。优选地，所述带有裂纹的镍膜中，裂纹的宽度在1μm～2μm，例如1μm、1.2μm、1.3μm、1.4μm、1.5μm、1.6μm、1.8μm或2μm等。第二方面，本专利技术提供如第一方面所述的柔性应变传感器的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)制备石墨烯包覆的聚氨酯海绵；(2)将步骤(1)所述石墨烯包覆的聚氨酯海绵作为阴极，镍箔为阳极，进行电沉积，在石墨烯包覆的聚氨酯海绵上形成具有裂纹的镍膜，得到由石墨烯和带有裂纹的镍膜由内至外依次包覆聚氨酯海绵形成的复合材料，即镍-石墨烯包覆聚氨酯复合材料；(3)对步骤(2)所述镍-石墨烯包覆聚氨酯复合材料进行封装，得到柔性应变传感器。本专利技术步骤(1)制备石墨烯包覆的聚氨酯海绵，使得一个绝缘体聚氨酯海绵成为导电的三维结构，得到具有导电性的石墨烯海绵，从而为后续电沉积提供了良好的材料。本专利技术的方法以聚氨酯海绵为模板，通过数次浸泡吸附并还原得到被石墨烯包覆的石墨烯海绵，然后通过电沉积方法，在石墨烯海绵表面电沉积一层带有裂纹的金属镍膜，最后通过PDMS对其进行封装，得到柔性应变传感器，该方法解决了柔性应变传感器制备工艺复杂的问题，而且得到的柔性应变传感器导电性优异、灵敏度高且循环性能好。作为本专利技术所述方法的优选技术方案，所述方法还包括在步骤(1)之前进行步骤(1)’：将聚氨酯海绵用去离子水和无水乙醇进行反复清洗，然后烘干。作为本专利技术所述方法的优选技术方案，步骤(1)所述制备石墨烯包覆的聚氨酯海绵的方法包括以下步骤：(A)浸泡：将聚氨酯海绵置于氧化石墨烯的溶液中浸泡；(B)还原：用热的氢碘酸对浸有氧化石墨烯的聚氨酯海绵进行还原；(C)干燥，得到石墨烯包覆的聚氨酯海绵。优选地，步骤(A)所述氧化石墨烯的溶液的浓度为1g/L～8g/L，例如1g/L、1.5g/L、2g/L、2.5g/L、3g/L、3.5g/L、4g/L、4.5g/L、5g/L、5.5g/L、6g/L、6.5g/L、7g/L、7.5g/L或8g/L等，优选3g/L～5g/L。优选地，步骤(A)所述浸泡的时间为2h～6h，优选3h～5h。优选地，步骤(B)所述还原的时间为10min～20min，优选10min～15min。优选地，步骤(B)所述氢碘酸的浓度标定为：使质量分数57％的氢碘酸与去离子水的体积比为1:1～5，优选1:1～2，标定得到的氢碘酸用于步骤(B)进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性应变传感器，其特征在于，所述柔性应变传感器包括由石墨烯和带有裂纹的镍膜由内至外依次包覆聚氨酯海绵形成的复合材料，以及封装所述复合材料的封装层。

【技术特征摘要】
1.一种柔性应变传感器，其特征在于，所述柔性应变传感器包括由石墨烯和带有裂纹的镍膜由内至外依次包覆聚氨酯海绵形成的复合材料，以及封装所述复合材料的封装层。2.根据权利要求1所述的柔性应变传感器，其特征在于，所述封装层的厚度为0.5mm～1.5mm，优选0.5mm～1mm；优选地，所述封装层为聚二甲基硅氧烷PDMS膜；优选地，所述PDMS膜是由形成在石墨烯包覆的聚氨酯海绵上的半固化的PDMS膜进一步固化得到的。3.根据权利要求1或2所述的柔性应变传感器，其特征在于，所述聚氨酯海绵的厚度为0.5mm～2mm，优选0.8mm～1mm；优选地，所述聚氨酯海绵的长度为15mm～30mm，优选20mm～25mm；优选地，所述聚氨酯海绵的宽度为5m～15mm，优选8mm～10mm；优选地，所述带有裂纹的镍膜的厚度为1μm～3μm；优选地，所述带有裂纹的镍膜中，裂纹的宽度在1μm～2μm。4.如权利要求1-3任一项所述的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)制备石墨烯包覆的聚氨酯海绵；(2)将步骤(1)所述石墨烯包覆的聚氨酯海绵连接电源阴极，镍箔连接电源阳极，进行电沉积，在石墨烯包覆的聚氨酯海绵上形成具有裂纹的镍膜，得到由石墨烯和带有裂纹的镍膜由内至外依次包覆聚氨酯海绵形成的复合材料，即镍-石墨烯包覆聚氨酯复合材料；(3)对步骤(2)所述镍-石墨烯包覆聚氨酯复合材料进行封装，得到柔性应变传感器。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在步骤(1)之前进行步骤(1)’：将聚氨酯海绵用去离子水和无水乙醇进行反复清洗，然后烘干。6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述制备石墨烯包覆的聚氨酯海绵的方法包括以下步骤：(A)浸泡：将聚氨酯海绵置于氧化石墨烯的溶液中浸泡；(B)还原：用热的氢碘酸对浸有氧化石墨烯的聚氨酯海绵进行还原；(C)干燥，得到石墨烯包覆的聚氨酯海绵。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(A)所述氧化石墨烯的溶液的浓度为1g/L～8g/L，优选3g/L～5g/L；优选地，步骤(A)所述浸泡的时间为2h～6h，优选3h～5h；优选地，步骤(B)所述还原的时间为10min～20min，优选10min～15min；优选地，步骤(B)所述氢碘酸的浓度标定为：使质量分数57％的氢碘酸与去离子水的体积比为1:1～5，优选1:1～2；优选地，步骤(B)所述氢碘酸的温度为50℃～100℃，优选80℃；优选地，步骤(B)所述还原在水浴条件下进行，水浴温度为80℃～90℃，优选85℃～90℃；优选地，步骤(1)制备石墨烯包覆的聚氨酯海绵的过程中，还包括在步骤(B)还原之后，步骤(C)干燥之前进行洗涤的步骤；优选地，步骤(1)制备石墨烯包覆的聚氨酯海绵的过程中，还包括在步骤(C)干燥之后，依次重复浸泡、还原和干燥的步骤，重复的次数优选为1次～7次，进一步优选3次～5次，特别优选4次或5次；优选地，步骤(1)制备石墨烯包覆的聚氨酯海绵的过程中，还包括在重复最后一次的还原步骤之后干燥步骤之前进行去离子水清洗至少一次的操作。8.根据权利要求4-7任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述电沉积的过程中，电沉积溶液包含氯化镍和二盐酸乙二胺的混合溶液；优选地，所述电沉积...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国平，韩飞，李金辉，张愿，孙蓉，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44