一种基于MXene材料的柔性应变传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于MXene材料的柔性应变传感器，包括：敏感材料，敏感材料为基于MXene材料的导电薄膜；柔性衬底，柔性衬底用于支撑并保护敏感材料；以及电极，电极分布于敏感材料两端。基于MXene材料的柔性应变传感器无需进行复杂的结构设计和制作工艺就能兼具高灵敏度、大的应变感应范围和高循环稳定性等优良特性。 1

【技术实现步骤摘要】
一种基于MXene材料的柔性应变传感器
本专利技术涉及一种柔性可穿戴传感器及其制备方法，具体涉及一种基于MXene材料的柔性应变传感器，属于柔性及可穿戴电子学领域以及新材料

技术介绍
近年来，随着柔性电子学的发展，轻、薄、柔的便携式、可折叠、可穿戴的柔弹性器件逐渐成为了一大研究热点。其中，柔性电子传感器是应用最为广泛的柔性电子器件，在运动感应、健康监测，医疗诊断等方面均有广泛的应用。目前，柔性电子传感器根据不同的信号转换机理可以分为电阻型、电容型和压电型等。其中电阻型应变传感器由于结构简单、成本低、集成以及信号采集相对容易而备受关注。应变传感器的基本原理即将器件的应变变化转化电阻信号进行输出，从而用于监测引起应变的应力信号，其最主要的性能参数包括灵敏度(通常用Gagefactor，相对电阻变化与应变变化的比值来表征)、应变感应范围、检测下限、循环稳定性等。获得大的灵敏度需要器件在小的应变下发生显著的结构变化，而大的工作范围则要求器件在大应变下仍能保持导电结构的连通性，通常这二者互为矛盾，难以兼得。为了制备得到同时具有较大应变感应范围和高灵敏度的柔性应变传感器，通常有两大制备策略，一是采用特殊的结构布置，对传感器的器件结构中引入网格，螺旋结构和仿生结构等特殊的结构设计，来提高传感器的综合性能。但是对传感器构造的复杂化对制造工艺提出了更高的要求，并且很难实现大面积的制备，从而限制了它们在实际中的应用(文献2)。另一种策略是选择新型的敏感材料，利用材料自身的微结构来使柔性电子传感器在不损坏本身电子性能的基础上实现良好的伸展性和弯曲性。这要求材料本身具有良好的导电性和柔性。目前，常用的柔性电子传感器敏感材料主要有金属纳米线和石墨烯等碳材料(文献1和3)。其中，金属纳米线原料成本较高，且抗氧化性较差，使得制作出的传感器可再现性较差；而石墨烯成本虽低，但制备工艺复杂，虽然目前化学气相沉淀法和氧化还原法实现石墨烯的大量制备，但前者制备的石墨烯依赖于基片生长，转移工序复杂，应用受到限制，而后者制备的单层石墨烯易团聚，结构缺陷较多，导电性较差，影响传感器外部电路和信号的传输。MXene，即二维过渡金属碳化物或碳氮化物，是一种类石墨烯的新型层状二维晶体材料，其化学式为Mn+1Xn，n＝1、2、3，M为早期过渡金属元素(例如Ti、V、Zn、Hf、Zr、Nb、Ta、Cr、Mo、Sc、Y、Lu、W)，X为碳或/和氮元素，其母体材料MAX相是一类化学式为Mn+1AXn的三元层状化合物，其中M、X、n与上述一样，A为主族元素(最常见的为Al，Si)。现有技术文献文献1KenjiHata，TakeoYamadaetal.Astretchablecarbonnanotubestrainsensorforhuman-motiondetection[J].Naturenanotechnology,2011,6:296-301文献2YinCheng,RanranWangandJingSunetal.AStretchableandHighlySensitiveGraphene-BasedFiberforSensingTensileStrain,Bending,andTorsion[J].Adv.Mater.2015文献3Guh-HwanLim,Nae-EungLeeandByungkwonLim，Highlysensitive,tunable,anddurablegoldnanosheetstrainsensorsforhumanmotiondetection[J].J.Mater.Chem.C,2016,4,5642。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种具有高灵敏度和宽应变感应范围的柔性应变传感器及其制备方法，以克服现有的柔性应变传感器无法兼备高应变灵敏度与大的应变感应范围，以及制备工艺复杂，制作成本高等问题，加快柔性应变传感器的实用化进程。在此，一方面，本专利技术提供一种柔性应变传感器，所述柔性应变传感器包括：敏感材料，所述敏感材料为基于MXene材料的导电薄膜；柔性衬底，所述柔性衬底用于支撑并保护所述敏感材料；以及电极，所述电极分布于所述敏感材料两端。MXene具有很多优异的特性，如与石墨烯相媲美的导电性和弯曲强度，以及优于石墨烯的抗氧化性和耐电子辐照能力。本专利技术将MXene材料作为柔性应变传感器的敏感材料，保证该柔性传感器能够同时具有高灵敏度与宽应变感应范围。一方面，MXene片层相互堆叠，当柔性衬底发生形变时，随着片层之间瞬间发生相对滑移和产生裂纹，导电通路的电阻迅速增大，使其具有很高的灵敏度，最大灵敏度可以达到104数量级；另一方面，MXene片层具有很好的柔性，片层之间相互粘连，能够让导电通路在较宽的应变范围内依然保持连通，使其具有很宽的应变感应范围，超过50％。该柔性应变传感器且具有多功能响应，能够很好地对拉伸形变、压力、扭转形变和弯曲形变进行响应。基于MXene材料的柔性电子传感器无需进行复杂的结构设计和制作工艺就能兼具高灵敏度，大的应变感应范围和高循环稳定性等优良特性，在柔性电子领域有很大的发展前景。本专利技术中，所述敏感材料的厚度可以为100nm～10μm，优选为400nm～1μm。本专利技术中，所述柔性衬底为具有可拉伸特性的衬底，例如可以是聚胺酯、硅橡胶(Ecoflex、Dragonskin等)、聚酰亚胺薄膜、PDMS(聚二甲基硅氧烷)等。另一方面，本专利技术还提供一种上述柔性应变传感器的方法，包括：利用MXene材料制备MXene导电薄膜；使所述MXene导电薄膜并贴合于预聚合的柔性衬底表面；将所述预聚合的柔性衬底固化；以及在所述MXene导电薄膜两端设置电极。本专利技术利用MXene材料制备MXene导电薄膜，并与柔性衬底、电极结合，获得基于MXene的柔性应变传感器。通过MXene材料自身的结特性来获得具有高灵敏度和宽应变感应范围的柔性应变传感器。本专利技术的方法成本低廉，制作工艺简单，无需进行复杂的传感器结构设计就能达到优异的传感性能，有潜力被广泛应用于日常的人体动作感应，健康监测，智能机器人和人机交互等领域。本专利技术中，所述MXene材料可以由母相材料MAX相刻蚀得到。具体而言本专利技术中，用于敏感材料的MXene(例如Ti3C2、Ti2C、Hf3C2、Ta3C2、Ta2C、Zr3C5、V2C等)，即二维过渡金属碳化物或碳氮化物，是一种类石墨烯的新型层状二维晶体材料，其化学式为Mn+1Xn，可由母相材料MAX相(例如Ti3AlC2、Ti2AlC、Hf3AlC2、Ta3AlC2、Ta2AlC、Zr3AlC5、V2AlC等)刻蚀得到(n＝1、2、3，M为早期过渡金属元素，A为主族元素，X为碳或/和氮元素)。与石墨烯复杂的制备工艺相比，MXene制备采用的化学液相刻蚀法操作简便易控，成本较低，且该法制备的MXene表面带有羟基，氧基等官能团，通过共价改性和表面修饰可在液相中稳定分散。在一个示例中，MXene材料的制备方法可以包括：在MAX相粉末中加入适量氢氟酸(例如在1g粒径200目的MAX相粉末中加入10ml质量分数为40％的氢氟酸)，刻蚀2～96h；将刻蚀产物洗涤，直至pH大于5，冷冻干燥6～12h，得到Mn+1Xn粉末；按照本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：

【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：敏感材料，所述敏感材料为基于MXene材料的导电薄膜；柔性衬底，所述柔性衬底用于支撑并保护所述敏感材料；以及电极，所述电极分布于所述敏感材料两端。2.根据权利要求1所述的柔性应变传感器，其特征在于，所述敏感材料的厚度为100nm～10μm。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，所述柔性衬底为聚胺酯、硅橡胶、聚酰亚胺薄膜、PDMS、Ecoflex、Dragonskin中的一种。4.一种制备权利要求1至3中任一项所述的柔性应变传感器的方法，其特征在于，包括：利用MXene材料制备MXene导电薄膜；使所述MXene导电薄膜并贴合于预聚合的柔性衬底表面；将所述预聚合的柔性衬底固化；以及在所述MXene导电...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙静，杨以娜，王冉冉，王焱，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31