多功能柔性传感材料及其制备方法与应用技术

技术编号:22500737 阅读:29 留言:0更新日期:2019-11-09 02:00
一种多功能柔性传感材料及其制备方法与应用,所述多功能柔性传感材料包含磁流变层,具有磁流变效应且能在磁场作用下发生受力应变;以及导电层,形成于磁流变层上,具有压阻效应而能在受力应变下产生电阻变化,进一步还在导电层上形成感温层。本发明专利技术扩展了柔性传感材料的相应信号类别,使之对磁、力及温度信号都有良好的感知反馈能力,同时制备工艺简单,循环稳定性良好,在柔性传感领域的多信号传感与大规模生产方面有较大应用潜力。

Multifunctional flexible sensing material and its preparation and Application

A multifunctional flexible sensing material and its preparation method and application, the multifunctional flexible sensing material comprises a magnetorheological layer, which has magnetorheological effect and can generate stress strain under the action of magnetic field; and a conductive layer, which is formed on the magnetorheological layer, has a piezoresistive effect and can generate resistance change under the stress strain, and further forms a temperature sensing layer on the conductive layer. The invention extends the corresponding signal category of the flexible sensing material, so that it has a good sensing and feedback ability to the magnetic, force and temperature signals, at the same time, the preparation process is simple, the cycle stability is good, and the invention has great application potential in the field of multiple signal sensing and large-scale production in the flexible sensing field.

【技术实现步骤摘要】
多功能柔性传感材料及其制备方法与应用
本专利技术属于智能材料
,具体涉及一种多功能柔性传感材料及其制备方法与应用。
技术介绍
智能材料是一类能够感知外部刺激(如力、电、磁、声等),并对其作出响应,通过特定方式调节自身性能的新型功能材料。其中,柔性传感材料是通过将导电微纳米粒子引入到柔性高分子基体中研制而成的,其兼具柔性与导电性,可通过电学信号的变化实现对外界力、热等刺激的感知与反馈。由于具有良好的监测能力,柔性传感材料广泛应用于运动捕捉、医学诊断、仿生工程等领域。随着外界刺激的复杂化与应用需求的多样化,单一传感功能的柔性传感材料已远远不能满足实际应用需求。基于此,研究人员逐渐展开多功能柔性传感材料的研制工作。由于磁场在生产生活中应用广泛,磁与力信号的复合响应是相关研究的一个热点。目前有一些报道将磁性材料和导电材料通过负载或者混合的方式进行复配,通过调节磁性材料在基体中的分布实现对导电材料的导电性能如电阻等的调控。此外,环境温度也是影响人类健康生活的重要因素,因此科研人员也投入了大量的精力开发温度变化检测技术。目前有采用中空结构的复合压力传感膜和连续锥形结构的PDMS膜相结合,可以对外界刺激如压力、温度等进行有效放大和转移,具有良好的传感性能。从目前所公开的报道来,对能够对外界多重刺激作出响应行为的多功能柔性传感材料的研究仍然较少,特别地,对于能够同时感知外界应力、磁场刺激甚至温度变化的多功能柔性传感材料的研制还极其缺乏,且大部分柔性传感材料制备工艺复杂、造价昂贵。基于上述缺点,该类材料难以满足复杂环境下的测量需求,同时不便于大规模生产应用。专利技术内容有鉴于此,本专利技术的主要目的在于提供一种多功能柔性传感材料及其制备方法与应用,以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。为实现上述目的,作为本专利技术的一个方面,提供了一种多功能柔性传感材料,包括:磁流变层,具有磁流变效应且能在磁场作用下发生受力应变;以及导电层,形成于磁流变层上,具有压阻效应而能在受力应变下产生电阻变化。作为本专利技术的另一个方面,提供了一种上述多功能柔性传感材料的制备方法,包括以下步骤:分别制备磁流变层、导电层;将所述磁流变层和导电层叠加组装,得到多功能柔性传感材料。作为本专利技术的再一个方面,提供了一种上述多功能柔性传感材料在柔性传感器件中的应用。基于上述技术方案,本专利技术至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分:(1)本专利技术的多功能柔性材料包括叠加而成的磁流变层和导电层,拓展了柔性传感材料的响应信号类别,使之对磁、力信号都有良好的感知反馈能力;(2)采用叠加组装的方式可以避免混合复配的方式导致材料变硬,保证了柔性材料的柔韧性和拉伸性能良好,提高了力灵敏度;(3)在导电层上还进一步叠加感温层,进一步拓展了柔性传感材料的响应信号,是指对温度信号也具有良好的感知反馈能力;(4)同时,该多功能柔性传感材料制备工艺简单,且通过实验测得其循环稳定性良好。基于此,该材料在柔性传感领域的多信号传感与大规模生产等方面具有较大的应用潜力。附图说明图1为本专利技术实施例4-1的多功能柔性传感材料的结构示意图;图2为本专利技术实施例2-1至2-4的不同羰基铁粉含量的材料的磁流变性能图;图3a为本专利技术实施例3-1至3-4的不同碳纳米管含量的材料的阻抗性能图;图3b为本专利技术实施例3-3至3-4的不同碳纳米管含量的材料的电阻性能图;图4a为本专利技术对比例3-1的碳纳米管与羰基铁粉混合复配制备的材料的电阻性能图;图4b为本专利技术实施例3-4和2-3及对比例3-1的材料在不同剪切频率下的储能模量变化图;图5a为本专利技术实施例3-4碳纳米管质量分数为4.2%的材料受20牛顿的外力压缩时电阻变化图;图5b为本专利技术实施例3-4碳纳米管质量分数为4.2%的材料受40牛顿的外力压缩时电阻变化图;图5c为本专利技术实施例3-4碳纳米管质量分数为4.2%的材料受60牛顿的外力压缩时电阻变化图;图5d为本专利技术实施例3-4碳纳米管质量分数为4.2%的材料受70牛顿的外力压缩时电阻变化图;图6为本专利技术实施例4-2多功能柔性传感材料在磁场作用下,弯曲一定角度时的电阻变化图谱;图7为本专利技术实施例4-2多功能柔性传感材料穿戴于人手,随手指弯曲不同角度时的电阻变化图谱;图8为本专利技术实施例4-2质量分数为0.5%的感温变色颗粒填充材料(上)与多功能柔性传感材料(下)在不同温度时的颜色变化实拍图;图9为本专利技术实施例5-1多功能柔性传感材料制备而成的抓手器件的尺寸规格示意图;图10a为本专利技术实施例5-1的抓手器件在低温条件下通过磁场作用抓取物件时过程示意图;图10b为本专利技术实施例5-1的抓手器件在低温条件下,通过磁场作用抓取物件时的电阻变化图谱;图10c为本专利技术实施例5-1的抓手器件在高温条件下,通过磁场作用抓取物件时的过程示意图及电阻变化图谱。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本专利技术进一步详细说明。根据本专利技术的一些实施例,提供了一种多功能柔性传感材料,包括:磁流变层,具有磁流变效应且能在磁场作用下发生受力应变;以及导电层,形成于磁流变层上,具有压阻效应而能在受力应变下产生电阻变化。本专利技术通过将磁流变层和导电层叠加组装,同时对磁、力信号有良好的响应,具体而言,磁流变层在磁场作用下受力应变,使传感材料整体产生了力学性能的变化,体现出磁控特性;基于此,导电层在外界力作用下由于压阻效应产生电阻的变化,能够输出传感信号,体现出传感功能。其中,磁流变层的厚度为0.1~0.3mm;导电层的厚度为0.3~0.6mm。将两层采用叠加而非混合复配的设置,是为了兼顾材料的柔性与导电性,可以将磁流变层较薄设置来保证柔性较好,导电层较厚设置来保证电阻适中;若混合复配,会导致材料较厚则柔性较差,材料较薄则电阻较高。其中,磁流变层包括硅橡胶基体和磁性粒子,磁性粒子均匀分布于硅橡胶基体中;作为优选,硅橡胶基体和磁性粒子的质量比为1∶100~10∶1,更优选为1∶50至5∶1,进一步优选为1∶20至2∶1,最优选为1∶10至1∶1。作为优选,磁性粒子选自含铁、镍或其他铁磁金属的微纳米粒子,更优选地,磁性粒子为羰基铁粉,具有粒径小、活性大以及磁导率高的优点。其中,导电层包括硅橡胶基体和导电纳米粒子,导电纳米粒子均匀分布于硅橡胶基体中;作为优选,橡胶基体和导电纳米粒子的质量比为200∶1至1∶1,更优选为150∶1至2∶1,进一步优选为100∶1至3∶1,最优选为50∶1至4∶1;作为优选,导电纳米粒子选自含碳纳米粒子例如碳纳米管、炭黑等,更优选地,导电纳米粒子为碳纳米管,相较于炭黑而言,碳纳米管质轻,且导电性和分散性更优,传感能力更好。作为优选,导电层的形状为U形或半环形,可以约束电流通过固定通路,从而对通路上任一处的外力刺激产生显著响应。若导电层设计为类似磁流变层的平面状,由于可能的导电路径较多,因此当离导线较远处受到外力刺激时,响应信号相对较弱。其中,多功能柔性传感材料还包括感温层,形成于导电层上,具有感温变色性;作为优选,感温层的厚度为0.3~0.8mm,以免在观察时导电层偏深的颜色对感温层产生影响。其中,感温层包括硅橡胶基体和感温变色粒子,感温变色粒子均匀分布于硅橡胶基体中;本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多功能柔性传感材料,其特征在于,包括:磁流变层,具有磁流变效应且能在磁场作用下发生受力应变;以及导电层,形成于磁流变层上,具有压阻效应而能在受力应变下产生电阻变化。

【技术特征摘要】
1.一种多功能柔性传感材料,其特征在于,包括:磁流变层,具有磁流变效应且能在磁场作用下发生受力应变;以及导电层,形成于磁流变层上,具有压阻效应而能在受力应变下产生电阻变化。2.根据权利要求1所述的多功能柔性传感材料,其特征在于,所述磁流变层的厚度为0.1~0.3mm;所述导电层的厚度为0.3~0.6mm。3.根据权利要求1所述的多功能柔性传感材料,其特征在于,所述磁流变层包括硅橡胶基体和磁性粒子,所述磁性粒子均匀分布于硅橡胶基体中;作为优选,所述硅橡胶基体和磁性粒子的质量比为1∶100~10∶1,更优选为1∶50至5∶1,进一步优选为1∶20至2∶1,最优选为1∶10至1∶1;作为优选,所述磁性粒子选自含铁、镍或其他铁磁金属的微纳米粒子,更优选地,所述磁性粒子为羰基铁粉;作为优选,所述硅橡胶基体选自聚二甲基硅氧烷(PDMS)或Ecoflex系列硅橡胶。4.根据权利要求1所述的多功能柔性传感材料,其特征在于,所述导电层包括硅橡胶基体和导电纳米粒子,所述导电纳米粒子均匀分布于硅橡胶基体中;作为优选,所述橡胶基体和导电纳米粒子的质量比为200∶1至1∶1,更优选为150∶1至2∶1,进一步优选为100∶1至3∶1,最优选为50∶1至4∶1;作为优选,所述导电纳米粒子选自含碳纳米粒子,更优选地,所述导电纳米粒子为碳纳米管;作为优选,所述硅橡胶基体选自聚二甲基硅氧烷(PDMS)或Ecoflex系列硅橡胶;作为优选,所述导电层的形状为U形或半环形。5.根据权利要求1所述的多功能柔性传感材料,其特征在于,所述多功能柔性传感材料还包括:感温层,形成于所述导电层上,具有感温变色性;作为优选,所述感温层的厚度为0.3~0.8mm。6.根据权利要求5所述的多功能柔性传感材料,其...

【专利技术属性】
技术研发人员:龚兴龙刘帅宣守虎王宇
申请(专利权)人:中国科学技术大学
类型:发明
国别省市:安徽,34

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