一种新型铜基气凝胶-PDMS复合压阻式压力传感材料及其应用制造技术

本发明专利技术提供了一种新型铜基气凝胶‑PDMS复合压阻式压力传感材料及其应用。本发明专利技术材料通过简单的冷冻组装和高温退火反应方法制备，铜基气凝胶‑PDMS复合压阻式压力传感材料具有典型的三维组装块体结构，由三维搭接的石墨烯包裹铜纳米线核壳结构作为块体的纳米框架，节点处引入石墨烯的牢固化学结合，“外硬内软”的PDMS作为支撑层。所研制的铜基气凝胶‑PDMS复合压阻式压力传感材料具有超弹性，可以有效地感知外界压力，应用于压力探测传感中。本发明专利技术的铜基气凝胶‑PDMS复合压阻式压力传感材料具有低成本，灵敏响应，稳定和制备工艺简单等优点。

A new type of copper based aerogel -PDMS composite piezoresistive pressure sensing material and its application

【技术实现步骤摘要】
一种新型铜基气凝胶-PDMS复合压阻式压力传感材料及其应用
本专利技术属于纳米功能材料领域，尤其是涉及一种节点处牢固结合的新型铜基气凝胶-PDMS复合压阻式压力传感材料及其应用。
技术介绍
随着社会和人类文明的不断发展，人工智能已经慢慢渗透在人类生活当中，给人类生活提供了很多便利，与此同时，人工智能对高性能纳米功能材料的需求也与日俱增。其中，气凝胶凭借其三维多孔结构、超轻的密度和超大的比表面积等特点，在柔性器件、催化剂、燃料电池等方面得到了较广的应用和发展。现如今，气凝胶的发展则更加倾向于将他们的高导电特性和较好的力学性能相结合，制备灵敏的压力传感器，应用于人造皮肤、触感屏幕等方面。基于石墨烯、碳纳米管、金属纳米线和导电有机物等材料，可以制备高性能的压力传感器，但要将这些材料真正实用化，应用于人类生活中依然面临着巨大挑战。一方面，要制备高性能的传感器，需要精巧的结构设计，这就意味着复杂的制备工艺和原材料的大量投入，制备成本较高，很难普适推广；另一方面，目前基于金属纳米线制备的压力传感器确实能获得很好的响应，但选择的金属纳米线通常局限于金纳米线、铂纳米线和银纳米线，成本造价高。那么，高导电的金属铜凭借成本低、储量大的特点，可视为金、铂、银等的潜在替代物铜。而且具有一维棒状纳米结构的铜纳米线，可作为构建三维多孔铜纳米结构的基本单元，从而组装成连续导电的铜气凝胶。目前合成的铜纳米线气凝胶，其力学和电学性能仍有待提高，基于铜纳米线构建压力传感器主要有两种方法。其中一种是由ChengWenlong等人(Yap,L.W.；Gong,S.；Tang,Y.；Zhu,Y.G.；Cheng,W.L.SoftPiezoresistivePressureSensingMatrixfromCopperNanowiresCompositeAerogel.Sci.Bull.2016,61,1624-1630)提出的聚乙烯醇(PVA)增强法，将PVA与铜纳米线共组装，得到铜纳米线-PVA复合气凝胶，从而制备压力传感器。由于PVA的包裹，气凝胶的导电性有所降低，且传感器制备过程较复杂。另一种是由SunJing等人(Xu,X.J.；Wang,R.R.；Nie,P.；Cheng,Y.；Lu,X.Y.；Shi,L.J.；Sun,J.CopperNanowireBasedAerogelwithTunablePoreStructureandItsApplicationasFlexiblePressureSensor.ACSAppl.Mater.Interfaces2017,9,14273-14280)提出的PU模板法，以PU为模板，在其三维多孔框架上直接生长铜纳米线，即可制备压力传感器。这种方法获得的铜纳米线气凝胶并不是一种自支撑结构，其力学性能和结构均依赖于起始的PU模板，可控性较差。本专利技术的专利技术人之前提出了一种石墨烯包裹增强铜纳米线气凝胶导电性和力学性能的方法(Wu,S.T.；Zou,M.C.；Li,Z.C.；Chen,D.Q.；Zhang,H.；Yuan,Y.J.；Pei,Y.M.；Cao,A.Y.RobustandStableCuNanowire@GrapheneCore-ShellAerogelsforUltraeffectiveElectromagneticInterferenceShielding.Small,2018,14,1800634)，在铜纳米线的表面复合一层石墨烯，增强铜纳米线的抗氧化稳定性，可获得导电率20.83S/cm和杨氏模量达3310Pa的铜纳米线气凝胶。虽然相对其他铜纳米线气凝胶而言，该复合气凝胶的力学、电学性能都得到了大幅提升，但石墨烯包裹铜纳米线核壳结构间仅通过范德华力结合，节点处结合并不紧密，导致最终获得的气凝胶循环压缩性较差，存在较大残余应变，要应用于高灵敏的压力传感器还是不够的。基于此，本专利技术提出一种节点处牢固结合的新型铜基气凝胶-PDMS(聚二甲基硅氧烷)复合压阻式压力传感材料及其应用。本专利技术的铜基气凝胶-PDMS复合压阻式压力传感材料，是一种自支撑、超弹性，具有灵敏压力响应、制备简单、稳定和低成本，可应用于压力检测传感的功能材料。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的是针对铜基气凝胶节点结合不紧密的问题，提出一种新型铜基气凝胶-PDMS复合压阻式压力传感材料。该压力传感材料在石墨烯包裹铜纳米线核壳结构的节点处实现了牢固化学结合和包裹，并通过灌入“外硬内软”的聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为支撑层，进一步提升铜基气凝胶的力学循环弹性。本专利技术的铜基气凝胶-PDMS复合压阻式压力传感材料，其特征是：(1)铜纳米线不依附在任何模板材料上实现自支撑；(2)核壳结构相互搭接的节点处不再是范德华接触，而是石墨烯壳层的牢固化学结合和包裹；(3)“外硬内软”的PDMS支撑层不但不会阻碍内部石墨烯包裹铜纳米线核壳结构的变形和相互接触，反而因为具有一定粘度可以加强内部核壳结构在节点处的接触，增强气凝胶对压力的响应，实现对外界压力的长循环灵敏相应。本专利技术通过如下技术方案实现：一种节点处牢固结合的新型铜基气凝胶-PDMS复合压阻式压力传感材料，由三维搭接的石墨烯(G)包裹铜(Cu)纳米线核壳结构作为块体的纳米框架，在搭接节点处引入石墨烯壳层的牢固化学结合，同时后灌入的“外硬内软”的聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为支撑层，其化学通式如下：Cu/G/PDMS，其中起始分散液中铜纳米线与有机物的质量比为16:5-64:5；在节点处牢固结合的石墨烯复合的铜基气凝胶具有超弹性；铜基气凝胶灌入“外硬内软”的PDMS支撑层后，在0.1V的偏压下可实现对外界压力的长循环灵敏相应。上述新型铜基气凝胶-PDMS复合压阻式压力传感材料通过以下制备方法获得，主要结合了冷冻组装和高温退火反应方法，具体是：(1)配置铜纳米线-有机物均匀分散液进行三维组装，有机物的浓度固定为0.2g/mL，调节铜纳米线的分散浓度，控制铜纳米线与有机物的质量比为16:5-64:5，以铜纳米线为模板，以水溶性有机物(聚乙烯吡咯烷酮(PVP)或聚乙烯醇(PVA))为固态碳源，在氢氩混合气中在500-900℃条件下退火10-20min制备得到节点牢固结合的石墨烯包裹的铜基三维气凝胶。(2)将液态PDMS灌入步骤(1)制备得到的石墨烯包裹的铜基三维气凝胶中，在60-120℃条件下加热固化2-7h，获得“外硬内软”的PDMS支撑层。作为优选，调配液态的PDMS，主剂(A组分，道康宁SYLGARD184)、固化剂(B组分，道康宁SYLGARD184)、稀释剂(道康宁SYLGARD184)的质量比是10:1:10。根据本专利技术，制备石墨烯包裹的铜基三维气凝胶受铜纳米线与有机物的质量比例影响，当铜纳米线比例过小时，铜纳米线易熔化坍塌，节点处结合不强，获得的石墨烯包裹的铜基气凝胶结构较脆，力学性能不能满足压力传感器的要求；当铜纳米线比例过大时，铜纳米线不能均匀分散，易团聚，获得的石墨烯包裹的铜基气凝胶不均匀，易开裂。只有在铜纳米线与有机物的质量比例适中时，石墨烯包裹的铜基三维气凝胶在节点处才存在牢固的石墨烯壳层化学结合，进而构建自支撑、超弹性的石墨烯包裹的铜基气凝胶。根据本专利技术，制备得到石墨本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型铜基气凝胶‑PDMS复合压阻式压力传感材料，其特征在于由三维搭接的石墨烯(G)包裹铜(Cu)纳米线核壳结构作为块体的纳米框架，在搭接节点处引入石墨烯壳层的牢固化学结合，同时后灌入的“外硬内软”的聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为支撑层，其化学通式如下：Cu/G/PDMS，采用以下方法制备得到：(1)配置铜纳米线‑有机物均匀分散液进行三维组装，调节铜纳米线与有机物的质量比为16:5‑64:5，以铜纳米线为模板，以水溶性有机物为固态碳源，在氢氩混合气中在500‑900℃下退火10‑20min，制备得到节点牢固结合的石墨烯包裹的铜基三维气凝胶；(2)调配液态的PDMS，然后灌入步骤(1)石墨烯包裹的铜基三维气凝胶中，在60‑120℃条件下加热固化2‑7h，获得“外硬内软”的PDMS支撑层。

【技术特征摘要】
1.一种新型铜基气凝胶-PDMS复合压阻式压力传感材料，其特征在于由三维搭接的石墨烯(G)包裹铜(Cu)纳米线核壳结构作为块体的纳米框架，在搭接节点处引入石墨烯壳层的牢固化学结合，同时后灌入的“外硬内软”的聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为支撑层，其化学通式如下：Cu/G/PDMS，采用以下方法制备得到：(1)配置铜纳米线-有机物均匀分散液进行三维组装，调节铜纳米线与有机物的质量比为16:5-64:5，以铜纳米线为模板，以水溶性有机物为固态碳源，在氢氩混合气中在500-900℃下退火10-20min，制备得到节点牢固结合的石墨烯包裹的铜基三维气凝胶；(2)调配液态的PDMS，然后灌入步骤(1)石墨烯包裹的铜基...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴诗婷，吴浩琦，元勇军，白王峰，丁明烨，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33