一种具有自修复能力的应力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有自修复能力的应力传感器及其制备方法。本发明专利技术把一维金属纳米线，二维无机纳米片，水凝胶功能高分子，以及添加剂等相复合，制备具有流变特性的纳米复合材料胶体油墨，通过丝网印刷，把胶体油墨印刷在可穿戴基底上，制得具有类贝壳仿生结构的可修复应力传感器。其中一维金属纳米线提供导电网络结构降低传感器电阻；二维无机纳米片层形成层状结构提高传感器灵敏度；可修复的水凝胶功能高分子、二维无机纳米片与添加剂之间形成可逆的动态交联点，使器件具有可修复性能。所得可修复应力传感器具有工作应变范围大、灵敏度高、过载破坏后可修复等特点，在人造电子皮肤、仿生机器人等领域具有巨大应用前景。

A stress sensor with self-repairing ability and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种具有自修复能力的应力传感器及其制备方法
本专利技术属于柔性应力传感器
，涉及纳米复合材料，自修复材料，导电性油墨以及印刷电子产品
，特别涉及一种自修复、高灵敏度、大工作范围力学传感器及其制备方法。主要用于监测由小范围至大范围人体运动如脉搏，弯曲等。在智能医疗、人造电子皮肤、仿生机器人、可穿戴器件等领域具有巨大应用前景。
技术介绍
可穿戴力学传感器由于其广泛的应用有着巨大的前景，随着日常生活中人们对于可穿戴力学传感器的使用愈发频繁，不可避免的刮蹭等破坏极大的缩短了器件寿命，提高了器件维护成本。可修复器件能够在受到破坏之后，进行自我修复，大大延长了器件寿命，有利于大规模生产和推广。若要将拉伸传感器在实际中广泛应用，必须要具有：大的工作范围(>50％)、高灵敏性(gaugefactor>100)、长寿命。自修复材料可以在遭到破坏的时候，进行自我修复，从而起到提高器件使用寿命的目的。到目前为止，研究人员对于拉伸传感器进行的探索在高灵敏性、大拉伸范围、具有自修复能力上仍然不够理想。工作范围过小不能满足实际应用的要求，灵敏度太低无法检测微小形变，缺乏自修复能力无法适应复杂的环境变化。中国专利公开号为CN106935526A公布了一种硅通孔互连的多晶硅应力传感器的制备方法。该专利技术激光刻蚀法在硅片衬底上刻蚀出孔互联结构，形成多晶硅电阻，制备了硅通孔互连的多晶硅应力传感器。然而该方法费时费力，步骤繁琐。中国专利公开号为CN107271084A公布了一种基于柔性纤维丝以及包覆柔性纤维丝的纳米结构薄膜应力传感器。该专利技术包括由柔性纤维丝基体，基体上蒸镀导电层。采用了蒸发镀银方法等手段，消耗过高，步骤麻烦，检测范围小，测试上限为16mN，且寿命短，难以应用于复杂的外界环境。中国专利公开号为CN107246929A公布了一种二维硒化铟力学传感器的制备方法。该专利技术通过机械剥离法制备了二维InSe纳米片并通过模板法制备了二维硒化铟力学传感器。该传感器的应变系数只有40，灵敏性较差。而具有自修复能力的应力传感器尚未见诸报道。总的来说，本专利技术制备了一种拥有大拉伸范围(>50％)、高灵敏程度(gaugefactor>100)、具有自修复能力的传感器。器件工作曲线线性关系优良、拉伸重复性好，能够探测人体脉搏等微弱的信号和关节等较大的形变，且当外界应变超过最大应变导致传感器破坏时，通过滴加去离子水、加热，可对传感器结构和性能进行反复多次的修复，修复效率接近100％，这是当前大部分传感器所不能达到的。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术把一维金属纳米线，具有丰富表面官能团的二维无机纳米片，水凝胶功能高分子，以及添加剂等相复合制备具有流变特性的纳米复合材料胶体油墨，通过丝网印刷方法，把胶体油墨印刷在可穿戴基底上，制得具有类贝壳仿生结构的可修复应力传感器。其中一维金属纳米线提供导电网络结构降低传感器电阻；二维无机纳米片层结构可提高传感器灵敏度；水凝胶功能高分子、二维无机纳米片与添加剂之间可形成可逆的动态交联点，使器件具有可修复性能。制备所得应力传感器具有工作应变范围广(>50％)、灵敏度高(gaugefactor>100)、工作曲线线性关系优良、拉伸重复性好、过载破坏后可修复、修复效率接近100％等特点。本专利技术制备简单，全程无有害物质，可通过丝网印刷方式量产。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是：基于可印刷的纳米复合材料的可修复应力传感器，该传感器主要包含可穿戴基底材料和可修复的纳米复合材料导电层，其特征在于该应力传感器的油墨制备及印刷方法，主要包括：1)吸取一定量二维无机纳米片材料分散液，加入一定量的一维金属纳米线，超声振荡使其分散均匀，抽滤或者离心收集所得复合物，并用去离子水清洗多次；2)向步骤1)所得油墨中加入一定量的所选定的可修复的水凝胶功能高分子和添加剂，搅拌使其混合均匀；3)将在步骤2)中所得到的复合物加入定量的去离子水调节至所需粘度，适量超声振荡之后得到分散性良好的纳米复合材料胶体油墨；4)根据所需要传感器的形状制作丝网印刷网版；5)将所得具有良好弹性的绝缘可穿戴基底材料放于网版之下，通过设置丝网印刷参数(印刷高度，角度，速度，力度)，将纳米复合材料胶体油墨进行印刷，得到所需要图案。室温放置或者加热之后，得可修复应力传感器。其中纳米复合材料胶体油墨的组分及配比：i.一维金属纳米线，1-15％；ii.二维无机纳米片层材料，0.2-5％；iii.可修复的水凝胶功能高分子，0.02-1％；iv.添加剂，0-0.1％；v.去离子水，78.9-98.78％。进一步的，所述的基底材料包括聚氨酯：万华化学集团股份有限公司产品4055IC、1565IC、4037IC、B-780、4030、4040、Smooth-On公司产品ClearFlex30、ClearFlex50、ClearFlex95、ReoFlex00、ReoFlex30、ReoFlex50、VytaFlex10-60、PMC-724、PMC-726、PMC-770、PMC-780、PMC-790、Brush-On35、Brush-On40、Brush-On50、Brush-On60、Simpact60、Simpact85、Econ60、Econ80等；硅胶弹性体：聚二甲基硅氧烷、Smooth-On公司产品MoldStar15、MoldStar16、MoldStar30、MoldStar19T、MoldStar20T、MoldStar31T、DragonSkin10、DragonSkin20、DragonSkin30、Ecoflex00-10、Ecoflex00-20、Ecoflex00-30、Ecoflex00-35、Ecoflex00-50、Ecoflex5、EcoflexGel、Smooth-Sil936、Smooth-Sil940、Smooth-Sil960、BodyDouble、SkinTite等；聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚4-甲基戊烯、聚乙烯醇、棉布、丝绸中的一种。进一步的，所述一维金属纳米线是指金、银、铜、铁、镍、铂、钯、铝金属纳米线中的一种或两种或两种以上组成的合金的金属纳米线；所述金属纳米线的直径为10-200纳米，长度为5-150微米。进一步的，所述二维无机纳米材料是指单层或寡层氧化石墨烯或者单层或寡层二维过渡金属碳化物或氮化物中的一种或两种；其中，所述的单层或寡层氧化石墨烯是指分子骨架有六角形晶格排列的单层石墨烯原子组成的，含有大量有机含氧官能团包括羟基、羧基、环氧基、羰基的二维平面材料；其中，所述的二维过渡金属碳化物或氮化物是指具有类似石墨烯的二维结构,其化学通式是Mn+1XnTz,n＝1,2,3,其中M为早期过渡金属元素,X为碳或氮元素,T为表面链接的-F、-OH活性官能团，包括Ti2C、Ti3C2、Ti3CN、V2C、Nb2C、TiNbC、Nb4C3、Ta4C3、(Ti0.5Nb0.5)2C或(V0.5Cr0.5)3C2相中的一种。所述的可修复的水凝胶功能高分子是指可形成动态可逆交联点的水溶性高分子。包括：1、可形成动态可逆氢键交联点的高分子材料，包括聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚氨酯、聚丙烯酸、聚丙烯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有自修复能力的应力传感器的制备方法，该传感器主要包含可穿戴基底材料和可修复的纳米复合材料导电层，其特征在于该应力传感器的油墨制备及印刷方法，主要包括：1)吸取一定量二维无机纳米片材料分散液，加入一定量的一维金属纳米线，超声振荡使其分散均匀，抽滤或者离心收集所得复合物，并用去离子水清洗多次；2)向步骤1)所得油墨中加入一定量的所选定的可修复的水凝胶功能高分子和添加剂，搅拌使其混合均匀；3)将在步骤2)中所得到的复合物加入定量的去离子水调节至所需粘度，适量超声振荡之后得到分散性良好的纳米复合材料胶体油墨；4)将所得具有良好弹性的绝缘可穿戴基底材料放于网版之下，通过设置丝网印刷参数，将纳米复合材料胶体油墨进行印刷，得到所需要图案，室温放置或者加热之后，得可修复应力传感器。

【技术特征摘要】
1.一种具有自修复能力的应力传感器的制备方法，该传感器主要包含可穿戴基底材料和可修复的纳米复合材料导电层，其特征在于该应力传感器的油墨制备及印刷方法，主要包括：1)吸取一定量二维无机纳米片材料分散液，加入一定量的一维金属纳米线，超声振荡使其分散均匀，抽滤或者离心收集所得复合物，并用去离子水清洗多次；2)向步骤1)所得油墨中加入一定量的所选定的可修复的水凝胶功能高分子和添加剂，搅拌使其混合均匀；3)将在步骤2)中所得到的复合物加入定量的去离子水调节至所需粘度，适量超声振荡之后得到分散性良好的纳米复合材料胶体油墨；4)将所得具有良好弹性的绝缘可穿戴基底材料放于网版之下，通过设置丝网印刷参数，将纳米复合材料胶体油墨进行印刷，得到所需要图案，室温放置或者加热之后，得可修复应力传感器。2.根据权利要求1所述的具有自修复能力的应力传感器的制备方法，其特征在于纳米复合材料胶体油墨中各组分及质量百分比：i.一维金属纳米线，1-15％；ii.二维无机纳米片材料，0.2-5％；iii.可修复的水凝胶功能高分子，0.02-1％；iv.添加剂，0-0.1％；v.去离子水，78.9-98.78％。3.根据权利要求1所述的具有自修复能力的应力传感器的制备方法，其特征在于所述的可穿戴基底材料包括聚氨酯；硅胶弹性体；聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚4-甲基戊烯、聚乙烯醇、棉布、丝绸中的一种。4.根据权利要求1或2所述的具有自修复能力的应力传感器的制备方法，其特征在于所述一维金属纳米线是指金、银、铜、铁、镍、铂、钯、铝金属纳米线中的一种或两种或两种以上组成的合金的金属纳米线；所述金属纳米线的直径为10-200纳米，长度为5-150微米。5.根据权利要求1或2所述的具有自修复能力的应力传感器的制备方法，其特征是：所述二维无机纳米片材料是指单层或寡层氧化石墨烯或者单层或寡层二维过渡金属碳化物或氮化物中的一种或两种；其中，所述的单层或寡层氧化石墨烯是指分子骨架有六角形晶格排列的单层石墨烯原子组成的，含有大量有机含氧官能团包括羟基、羧基、环氧基、羰基的二维平面...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁嘉杰，刘阳，史鑫磊，刘水任，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津,12