一种微裂纹应变传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种微裂纹应变传感器及其制备方法。该微裂纹应变传感器包括由下至上依次层叠的柔性基底层、脆性导电薄膜裂纹层、柔性封装层，引入电极即可实现电学信号输出。制得的脆性导电薄膜涂敷在柔性基底层上，经预弯曲或拉伸形成微裂纹。所述微裂纹应变传感器基于脆性导电薄膜裂纹层与柔性基底层间强烈的相互作用，脆性导电薄膜裂纹层分为靠近柔性基底层的过渡层和远离柔性基底层的本体层，在拉伸、弯曲、触压等各种应变作用下，过渡层与本体层呈现出不同的裂纹扩展形态，在较小应变下(<20％)即可实现电阻值的巨大变化(>50000倍)，具有极为优异的应变传感性能。此种构建微裂纹应变传感器的方法称为Chen

【技术实现步骤摘要】
一种微裂纹应变传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于柔性电子器件领域，具体涉及一种微裂纹应变传感器及其制备方法，特别是涉及一种基于柔性基底层
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脆性导电层的微裂纹应变传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]在可穿戴智能设备领域、植入式电子器件领域以及智能机器人领域，柔性应变传感器均是至关重要的器件之一；它可以将应变转化为电学信号，并进一步转化为数字信号输出。相比于由金属或半导体制备得到的传统硬质传感器，柔性应变传感器可以任意变换形状，贴合在皮肤表面或智能机器人表面的任意位置，因此柔性应变传感器的适用环境更广。另外，柔性应变传感器的应变响应范围，以及GF值(单位应变下的电阻变化率，常作为评价应变传感性能的标准之一)均要优于传统硬质传感器，因此近年来关于柔性应变传感器的研究络绎不绝。其中，制备柔性应变传感器最常见的方法是将柔性聚合物基体与导电填料共混均匀，导电填料在柔性聚合物基体中构成导电通路。当复合材料被施加应变后导电通路被破坏，复合材料的电阻急剧上升，因此具有较好的应变传感性能。然而，此种方式制备的柔性应变传感器通常需要在较大的应变下(>100％)才有较高的GF值(5～500)。
[0003]专利CN 113930037 A对纳米金属/石墨烯进行改性，在其表面接枝氨基，而氨基与基体改性聚乙烯醇中的羧基发生缩合反应。这一方法改善了纳米金属/石墨烯在改性聚乙烯醇基体中的分散程度，分散均匀的导电填料网络更易在应变中被破坏，因此复合材料具有良好的应变传感性能(在80％应变下的GF值为7左右)。同时，导电填料与聚合物基体间的化学键合使得复合材料在循环拉伸过程中具有良好的稳定性和抗疲劳性。然而，在实际应用过程中常常需要应变传感器对更细微的应变产生足够大的信号，这是导电复合材料类型的应变传感器所无法达到的。
[0004]从蜘蛛腿可以感应到蛛网传来的微弱信号获取灵感，近年来科学家设计了微裂纹结构的应变传感器，即在柔性基层表面溅射或喷涂一层纳米级的金属薄膜，并采用弯曲或拉伸的方式，使金属薄膜表面形成均匀的微裂纹。在拉伸过程中，金属薄膜微裂纹的扩展会导致裂纹处的金属薄膜厚度减小，进而使得应变传感器的电阻急剧升高。在极低应变下(<5％)的GF值即可高达(2000～80000)。专利CN 113310395 A将带有相应镂空形状的镀膜模板放置于基底层上，并将两种金属沉积在模板中。在未沉积金属的部分采用模板涂敷一层保护层。这种方式制备的微裂纹应变传感器具有更高精度的裂纹，且不会影响裂纹在应变过程中的使用寿命。然而，现有的微裂纹应变传感器具有一个本质的缺陷，即在大应变下微裂纹结构会遭到不可逆破坏，因此难以应用于复杂的实际应用环境。

技术实现思路

[0005]为此，本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种在较低应变下具有更加优异应变传感性能，且具有良好环境适应性的新型微裂纹应变传感器。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案来实现的：
[0007]一种微裂纹应变传感器，包括柔性基底层、脆性导电薄膜裂纹层和柔性封装层；按质量份数计，其原料配方组成包括：柔性基底材料50～90份；弹性体交联剂0～5份；弹性体交联助剂0～10份；脆性薄膜材料1～5份；导电填料0.01～0.5份；界面改性剂0～3份；所述的柔性基底材料为热固性弹性体、热塑性弹性体、柔性薄膜中的一种或多种；所述的脆性薄膜材料为羧甲基壳聚糖、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇、乙烯
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醋酸乙烯共聚物、醋酸纤维素、乙基纤维素、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯和聚碳酸脂中的一种或多种；所述的导电填料为碳纳米管、石墨烯、导电炭黑、纳米银线、聚(3,4
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亚乙二氧基噻吩)、聚乙炔、聚苯胺中的一种或多种。
[0008]进一步优选的，所述的热固性弹性体为天然橡胶、天然橡胶胶乳、环氧化天然橡胶、环氧化天然橡胶胶乳、乙丙橡胶、硅橡胶、氟橡胶、丁腈橡胶、丁腈橡胶胶乳、羧基丁腈橡胶胶乳、丁苯橡胶、丁苯橡胶胶乳、羧基丁苯橡胶胶乳、杜仲胶乳和蒲公英胶乳中的一种或多种，所述的热塑性弹性体为苯乙烯
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丁二烯嵌段共聚物、乙烯
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辛烯共聚物、聚氨酯弹性体和聚酰胺弹性体中的一种或多种。
[0009]进一步优选的，所述的柔性薄膜材料为聚酰亚胺、聚酯、环烯烃聚合物和液晶聚合物中的一种或多种。
[0010]进一步优选的，所述弹性体交联剂为硫黄硫化剂、过氧化物硫化剂、硅氢加成交联剂、胺类硫化剂和双酚类硫化剂中的一种或多种。
[0011]进一步优选的，所述的弹性体交联助剂为氧化锌、噻唑类促进剂、次硫酰胺类促进剂、秋兰姆类促进剂、硫代甲酸盐类促进剂、胍类促进剂、双酚类促进剂、季铵盐促进剂、季磷盐促进剂、氰脲酸酯类促进剂和过渡金属配位类促进剂中的一种或多种。
[0012]进一步优选的，所述的碳纳米管为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或多种；所述的导电炭黑为油炉法导电炭黑、重油复产导电炭黑和电石乙炔导电炭黑中的一种或多种。
[0013]进一步优选的，所述的界面改性剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、铝钛复合偶联剂、阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂和非离子表面活性剂中的一种或多种。
[0014]本专利技术还提供所述微裂纹应变传感器的制备方法，包括如下步骤：
[0015]a)获得柔性基底层，所述柔性基底层为柔性薄膜或弹性体薄膜、或为柔性薄膜
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弹性体薄膜复合柔性基底层；所述弹性体薄膜的制备方法为：在热固性弹性体胶乳或热固性弹性体溶液或热塑性弹性体溶液中依次加入弹性体交联剂、或弹性体交联剂与弹性体交联助剂、或弹性体交联剂与弹性体交联助剂及界面改性剂，混合均匀后，进行成型得到所述弹性体薄膜。
[0016]b)脆性导电薄膜裂纹层的制备，方法如下：
[0017]i)将脆性薄膜材料溶解在溶剂中，得到脆性薄膜材料的溶液。
[0018]ii)将导电填料或导电填料及界面改性剂在超声作用下分散于脆性薄膜材料的溶液中，得到导电填料
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脆性薄膜材料悬浮液。
[0019]iii)将步骤ii)得到导电填料
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脆性薄膜材料悬浮液分次涂敷在柔性基底层表面，并加热烘干，在柔性基底层表面形成一层脆性导电薄膜层。
[0020]iv)采用预弯曲或拉伸的方式，使得步骤iii)制得的脆性导电薄膜层形成均匀的
裂纹，得到脆性导电薄膜裂纹层。
[0021]c)重复步骤a)，得到柔性基底层并将其覆盖在导电薄膜裂纹层表面作为柔性封装层封闭导电薄膜裂纹层，得到所述微裂纹应变传感器。
[0022]进一步优选的，步骤a)与步骤b)之间还包括对所述柔性基底层进行表面处理，表面处理方法为电镀、化学镀、电泳、化学热处理、臭氧、等离子和激光表面处理中的一种或多种。步骤iv)后还包括将导电铜片引入脆性导电薄膜裂纹层作为输出电极，步骤c)后还包括将输出电极引出所述柔性封装层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微裂纹应变传感器，其特征在于：包括柔性基底层、脆性导电薄膜裂纹层和柔性封装层；按质量份数计，所述微裂纹应变传感器原料配方组成包括：所述的柔性基底材料为热固性弹性体、热塑性弹性体、柔性薄膜中的一种或多种；所述的脆性薄膜材料为羧甲基壳聚糖、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇、乙烯
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醋酸乙烯共聚物、醋酸纤维素、乙基纤维素、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯和聚碳酸脂中的一种或多种；所述的导电填料为碳纳米管、石墨烯、导电炭黑、纳米银线、聚(3,4
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亚乙二氧基噻吩)、聚乙炔、聚苯胺中的一种或多种。2.根据权利要求1所述的微裂纹应变传感器，其特征在于：所述的热固性弹性体为天然橡胶、天然橡胶胶乳、环氧化天然橡胶、环氧化天然橡胶胶乳、乙丙橡胶、硅橡胶、氟橡胶、丁腈橡胶、丁腈橡胶胶乳、羧基丁腈橡胶胶乳、丁苯橡胶、丁苯橡胶胶乳、羧基丁苯橡胶胶乳、杜仲胶乳和蒲公英胶乳中的一种或多种，所述的热塑性弹性体为苯乙烯
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丁二烯嵌段共聚物、乙烯
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辛烯共聚物、聚氨酯弹性体和聚酰胺弹性体中的一种或多种；所述的柔性薄膜的材料为聚酰亚胺、聚酯、环烯烃聚合物和液晶聚合物中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的微裂纹应变传感器，其特征在于：所述弹性体交联剂为硫黄硫化剂、过氧化物硫化剂、硅氢加成交联剂、胺类硫化剂和双酚类硫化剂中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的微裂纹应变传感器，其特征在于：所述的弹性体交联助剂为氧化锌、噻唑类促进剂、次硫酰胺类促进剂、秋兰姆类促进剂、硫代甲酸盐类促进剂、胍类促进剂、双酚类促进剂、季铵盐促进剂、季磷盐促进剂、氰脲酸酯类促进剂和过渡金属配位类促进剂中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的微裂纹应变传感器，其特征在于：所述的碳纳米管为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或多种；所述的导电炭黑为油炉法导电炭黑、重油复产导电炭黑和电石乙炔导电炭黑中的一种或多种。6.根据权利要求1所述的微裂纹应变传感器，其特征在于：所述的界面改性剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、铝钛复合偶联剂、阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈玉坤，龚舟，孙珂，
申请(专利权)人：中山旺材科技有限公司，
类型：发明
国别省市：