一种应力显色器件及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种应力显色器件及其应用。所述应力显色器件自上而下依次包括上透明电极层、变色层、电解质层、透明电极保护层和下透明电极层；所述变色层为电致变色材料层，且在外力作用下发生形变；所述上透明电极层和下透明电极层之间连接外电路，用以提供外电压，所述外电压低于使变色层发生变色的阈值电压。本发明专利技术的器件能够在较小的力作用下发生变色，且仅需简单操作即可使变色材料恢复到初始状态，可应用于应力分布传感器或冲量分布传感器。

【技术实现步骤摘要】
一种应力显色器件及其应用
本专利技术涉及力致变色领域，尤其涉及一种应力显色器件及其应用。
技术介绍
力致变色材料是一种对外界力刺激具有明显光学信号响应的智能材料，且力诱导光学信号的变化常常是可逆的，在一些其他刺激方式下可以恢复到初始状态。由于光学信号的变化很容易用裸眼定性观察或用仪器进行定量检测，因此力致变色材料在应力传感、防伪、无墨书写等方面有着重要的应用前景，近年来受到越来越多的关注。但是力致变色材料的发展相对较晚，到目前为止，力致变色材料的种类仍然有限，且其实际应用也只停留在一些概念产品的展示上，远不能满足实际应用的要求。因此，发展新型力致变色材料和拓展实际应用范围是目前力致变色材料领域的研究重点。目前力致变色的研究多数集中在有机力致变色材料上，其力致变色机制主要集中在以下三个方面：(1)力改变分子间相互作用(如π-π相互作用、氢键相互作用、金属-金属相互作用等)；(2)力改变分子内的构象(如力诱导分子平面化等)；(3)力诱导分子发生局部的化学反应(如弱共价键异裂等)。但是基于这三种机制使材料发生变色的力往往很大，通常在GPa数量级，而且材料在较大的应力作用下发生变色后，通常需要通过机械研磨、加热或溶剂熏蒸处理等复杂的工艺才能恢复到初始状态，因此大大限制了其实际应用。
技术实现思路
基于此，本专利技术的目的在于，克服现有技术中的缺点和不足，提供一种应力显色器件，其能够在较小的力作用下发生变色，且仅需简单操作即可使变色材料恢复到初始状态。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种应力显色器件，自上而下依次包括上透明电极层、变色层、电解质层、透明电极保护层和下透明电极层；所述变色层为电致变色材料层，且在外力作用下发生形变；所述上透明电极层和下透明电极层之间连接外电路，用以提供外电压，所述外电压低于使变色层发生变色的阈值电压。本专利技术的工作原理为：在工作电压低于阈值的情况下，无外力作用时，电解质层中的离子不能注入变色层，变色层不发生变色；当施加外力时，变色层发生形变，其厚度变薄，引起变色层所处电场的增强，使得电解质层的离子注入变色层，引起变色层发生颜色的改变；当撤去外力和外电压后，变色层的颜色改变量可被保持下来。相对于现有技术，本专利技术的力致变色层采用受压可形变的电致变色材料，使材料变色的阈值力大大减小，且通过显色的深浅度可直观记录应力的大小；在合适的反向工作电压下可擦除材料的着色状态，操作简单且可重复使用。进一步地，所述阈值电压为0.01～1V。变色层存在阈值电压，当器件的工作电压低于阈值电压时，变色层不发生变色，当器件的工作电压超过阈值电压，变色层发生变色。相比于传统的力致变色材料，利用受压可形变的电致变色材料存在阈值电压实现力致变色现象，器件的灵敏度高，显色的阈值力小。进一步地，所述变色层为纳米结构薄膜。纳米结构薄膜可以是纳米花、纳米线或纳米柱结构所组成的疏松结构薄膜，变色材料可以是无机变色材料或有机变色材料，优选氧化钨、氧化钛、氧化钒或其它可电致变色的金属氧化物。进一步地，所述电解质层为半固态电解质层或全固态电解质层。进一步地，所述电解质层的厚度为100nm～1mm。进一步地，所述上透明电极层和下透明电极层为透明导电氧化物薄膜、碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜或银纳米线薄膜。进一步地，所述应力显色器件还包括粘结剂，所述粘结剂设于上透明电极层和下透明电极层之间的相对空隙中，以实现封装。本专利技术还提供了一种应力显色器件的控制方法，包括以下步骤：S1：在应力显色器件的上透明电极层和下透明电极层之间施加外电压，使之低于变色层的阈值电压，此时变色层不变色，器件处于透明状态；S2：在应力显色器件的表面施加外力，使变色层在外力作用下厚度减小，导致变色层所处的电场增大，上透明电极层和下透明电极层之间的电压高于变色层的阈值电压，引起电解质层的离子注入变色层，此时变色层发生颜色的改变，器件处于着色状态；S3：撤去外力，此时器件保持着色状态，记录变色层的颜色改变量；S4：在应力显色器件的上透明电极层和下透明电极层之间施加反向外电压，此时器件的着色状态被擦除，以重复使用。相对于现有技术，本专利技术使变色层发生显色的阈值力较小，且通过显色的深浅度可直观记录应力的大小；在撤去外力后，器件的着色状态可被保持和记录下来；在合适的反向工作电压下可擦除着色状态，具有操作简单且可重复使用的特点。进一步地，保持施加外力的作用时间恒定，变化施加外力的大小，使器件发生不同程度的颜色变化，建立器件颜色的深浅度与施加外力大小之间的对应关系。从而通过器件所保持的颜色与应力比色卡进行比对，可得知外加应力作用的大小。本专利技术还提供了一种压力分布传感器，包括至少一个本专利技术所述的应力显色器件和信号提取模块，所述信号提取模块与应力显色器件电连接。相对于现有技术，本专利技术的应力显色器件可应用于应力分布传感器或冲量分布传感器，提供有效、直观的应力或冲量分布情况。为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本专利技术。附图说明图1为实施例1的应力显色器件的结构示意图。图2为实施例1的应力显色器件的工作原理示意图。图3为实施例2的应力分布传感器的结构及测量效果示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。实施例1请参阅图1，其为本实施例的应力显色器件的结构示意图。所述应力显色器件自上而下依次包括上透明电极层1、变色层2、电解质层3、透明电极保护层4和下透明电极层5。所述变色层2由电致变色材料组成，且在外力作用下发生形变。具体的，变色层2在外力作用下厚度可发生改变，在撤去外力后厚度可恢复原始状态。优选的，变色层2可以为由纳米花、纳米线或纳米柱结构所组成的疏松结构薄膜，可以是无机变色材料或有机变色材料。所述上透明电极层1和下透明电极层5之间的相对空隙中使用粘结剂6进行封装，且所述上透明电极层1和下透明电极层5之间连接外电路7，用以提供外电压，所述外电压低于使变色层2发生变色的阈值电压。使变色层2发生变色的阈值电压为0.01～1V，当器件的工作电压低于阈值电压时，变色层2不发生变色，当器件的工作电压超过阈值电压，变色层2发生变色。优选的，所述上透明电极层1和下透明电极层5为透明导电氧化物薄膜、碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜或银纳米线薄膜。所述电解质层中的电解质为半固态电解质或全固态电解质，厚度为100nm～1mm。本实施例还提供一种应力显色器件的控制方法，包括以下步骤：(1)在应力显色器件的上透明电极层1和下透明电极层5之间施加外电压，使之低于变色层2的阈值电压，此时变色层2不变色，器件处于透明状态。(2)在应力显色器件的表面施加外力，使变色层2在外力作用下厚度减小，导致变色层所处的电场增大，上透明电极层1和下透明电极层5之间的电压高于变色层2的阈值电压，引起电解质层3的离子注入变色层2，此时变色层2发生颜色的改变，器件处于着色状态。(3)撤去外力，此时器件保持着色状态，记录变色层2的颜色改变量。(4)在应力显色器件的上透明电极层1和下透明电极层5之间施加反向外电压，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应力显色器件，其特征在于：自上而下依次包括上透明电极层、变色层、电解质层、透明电极保护层和下透明电极层；所述变色层为电致变色材料层，且在外力作用下发生形变；所述上透明电极层和下透明电极层之间连接外电路，用以提供外电压，所述外电压低于使变色层发生变色的阈值电压。

【技术特征摘要】
1.一种应力显色器件，其特征在于：自上而下依次包括上透明电极层、变色层、电解质层、透明电极保护层和下透明电极层；所述变色层为电致变色材料层，且在外力作用下发生形变；所述上透明电极层和下透明电极层之间连接外电路，用以提供外电压，所述外电压低于使变色层发生变色的阈值电压。2.根据权利要求1所述的应力显色器件，其特征在于：所述阈值电压为0.01～1V。3.根据权利要求1所述的应力显色器件，其特征在于：所述变色层为纳米结构薄膜。4.根据权利要求1所述的应力显色器件，其特征在于：所述电解质层为半固态电解质层或全固态电解质层。5.根据权利要求1所述的应力显色器件，其特征在于：所述电解质层的厚度为100nm～1mm。6.根据权利要求1所述的应力显色器件，其特征在于：所述上透明电极层和下透明电极层为透明导电氧化物薄膜、碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜或银纳米线薄膜。7.根据权利要求1所述的应力显色器件，其特征在于：所述应力显色器件还包括粘结剂，所述粘结剂设于上透明电极层和下透明电极层之间的相对空隙中，以实现封装...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐秀凤，罗坚义，赵晓婷，陈国新，郑国祥，马定邦，黄景诚，马国强，黄辉，温锦秀，
申请(专利权)人：五邑大学，
类型：发明
国别省市：广东,44