敏感单元、磁性碳基柔性应变传感器及其制备方法和智能可穿戴装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种敏感单元、磁性碳基柔性应变传感器及其制备方法和智能可穿戴装置；敏感单元主要由以下重量份的组分制备而成：1～20份磁性纳米纤维、30～90份碳材料以及强度增强纤维0.1～5份；所述磁性纳米纤维、所述碳材料以及所述强度增强纤维在所述敏感单元中通过冷冻取向和磁场取向呈有序排列，本发明专利技术通过磁场取向和冷冻取向对磁性纳米纤维、碳材料以及强度增强纤维进行定向引导从而使得其在敏感单元中呈有序排列，从而提高敏感单元的灵敏度。度。度。

【技术实现步骤摘要】
敏感单元、磁性碳基柔性应变传感器及其制备方法和智能可穿戴装置


[0001]本专利技术属于柔性传感领域，涉及一种敏感单元、磁性碳基柔性应变传感器及其制备方法和智能可穿戴装置。

技术介绍

[0002]近年来，智能可穿戴设备因为其轻便柔韧、智能监测的特性引起了人们极大的兴趣，其中可应用于触觉感知、人机交互、医疗健康等领域的柔性应变传感器成为了可穿戴设备研究的主流趋势。然而，传统的柔性应变传感器仅考虑了如何将敏感单元封装进柔性聚合物基底内，实现柔性传感的功能，但却并没有对敏感单元本身进行结构设计，这就导致了敏感单元内部材料用量过多、整体不够轻便，同时还存在灵敏性不高、柔韧性不强以及稳定性较低的问题。
[0003]随着科学技术的不断进步，为了能够更加精准地实现人体运动监测、远程健康诊断、人机交流互动，同时整体还要轻便高效、易于穿戴，人们在柔性应变传感器的结构设计上开展了诸多工作，希望使其在较低的导电材料填充量的基础上拥有极高的灵敏度。柔性应变传感器可按照结构设计分为三明治结构、弯曲褶皱结构、金字塔结构、半球结构、联锁结构、多孔结构等；其中，具有更大比表面积、更低弹性模量、更低密度的多孔结构更适合应用于轻质高效的柔性应变传感器中，因此多孔结构也开始受到了社会的广泛关注。
[0004]基于此，各种基于多孔结构的柔性应变传感器应运而生。中国专利技术专利申请(申请公开号：CN110375636A，申请公开日：2019
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25)公开了一种基于多孔柔性材料的高拉伸柔性应变传感器；该专利技术将柔性聚合物基底与导电材料搅拌混合，并将其浇筑在多孔柔性基底上，制成具有多孔结构的柔性应变传感器；该专利技术制备工艺简单，具有良好的拉伸性能和较大的测量范围；然而，由于该专利技术将导电材料与聚合物混合搅拌，导电材料在聚合物中相互分离，没有很好的连接在一起，这使得其导电通路并没有得到良好的构筑，导致传感器的初始电阻极大，应变因子极低，传感性能较差，故而并不适用于需要极高灵敏性的柔性可穿戴设备。
[0005]中国专利技术专利申请(申请公开号：CN112697034A，申请公开日：2021
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23)公开了一种石墨烯复合材料柔性应变传感器及其制备方法；该专利技术提供了一种利用液态硅橡胶和乙醇混合加热得到的固态多孔硅橡胶，在其表面涂覆石墨烯溶液制备出碳基多孔结构柔性应变传感器；该专利技术制备过程简单，易于控制，得到的柔性应变传感器具有大应变能力、超高灵敏度、良好疲劳耐久性和快速相应速度；然而，该专利技术仅将石墨烯包覆到多孔柔性聚合物基底上，导电层单薄脆弱无保护，这就使得石墨烯导电敏感层在循环拉伸应变下极易发生剥脱和分离，导致导电通路容易发生断裂，严重影响其使用寿命。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种敏感单元、磁性碳基柔性应变传感器及其制备方法和
智能可穿戴装置，以解决现有的多孔结构存在的上述问题，既提高敏感单元的导电性能，又能提高敏感单元的力学性能以延长使用寿命。
[0007]本专利技术提供一种敏感单元，主要由以下重量份的组分制备而成：1～35份磁性纳米纤维、60～98份碳材料以及强度增强纤维1～5份；所述磁性纳米纤维、所述碳材料以及所述强度增强纤维在所述敏感单元中通过冷冻取向和磁场取向呈有序排列。
[0008]本专利技术的有益效果为：
[0009]1.本专利技术通过磁场取向和冷冻取向对磁性纳米纤维、碳材料以及强度增强纤维进行定向引导从而使得其在敏感单元中呈有序排列，从而提高敏感单元的灵敏度；
[0010]2.磁性纳米纤维和强度增强纤维两者的结合，能够将碳材料更好地连接在一起，强化导电通路的连接，提高了敏感单元的灵敏性(应变因子可达112.44)；通过添加强度增强纤维，还能够加强敏感单元的力学性能(拉伸模量可达185.06GPa)，延长敏感单元的使用寿命和进一步维持导电通路。
[0011]作为一种可能的优选方式，敏感单元主要由以下重量份的组分制备而成：10～20份磁性纳米纤维、65～85份碳材料以及强度增强纤维2～5份。
[0012]作为一种可能的优选方式，敏感单元主要由以下重量份的组分制备而成：10～15份磁性纳米纤维、75～80份碳材料以及强度增强纤维3～4份。
[0013]作为一种可能的实施方式，磁性纳米纤维包括铁纳米纤维、铜纳米纤维、镍纳米纤维以及钴纳米纤维中至少一种。
[0014]作为一种可能的实施方式，碳材料包括碳纳米管、石墨烯、石墨以及炭黑中至少一种。
[0015]作为一种可能的实施方式，强度增强纤包括聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维、聚丙烯纤维、聚氯乙烯纤维、聚氨酯纤维、粘胶纤维、亚麻纤维、黄麻纤维、竹纤维、剑麻纤维、蕉麻纤维、棉纤维、纤维素、甲基纤维素、羧甲基纤维素，羟丙基甲基纤维素、乙基纤维素以及羟乙基纤维素中至少一种。
[0016]本专利技术还公开了一种具备有序取向结构的磁性碳基柔性应变传感器，包括柔性聚合物基底和与其连接的电极，上述敏感单元，敏感单元封装于柔性聚合物基底中。
[0017]本专利技术的有益效果与上述敏感单元的效果相同，此处不再赘述。
[0018]作为一种可能的实施方式，柔性聚合物基底由聚二甲基硅氧烷、水凝胶、硅橡胶、聚氨酯以及共聚酯中至少一种制成。
[0019]作为一种可能的实施方式，电极包括导电胶和导线，所述导线通过所述导电胶与所述柔性聚合物基底连接；优选地，导电胶包括银导电胶、铜导电胶以及石墨导电胶中至少一种；优选地，导线包括银导线、铜导线以及铝导线中至少一种。
[0020]本专利技术还公开了一种上述的磁性碳基柔性应变传感器的制备方法，包括：
[0021]在模具内铺上一层柔性聚合物基底，将柔性聚合物基底加热固化后与电极连接；
[0022]将磁性纳米纤维、碳材料以及强度增强纤维混合后倾倒于模具内，后置于冷冻的磁场中进行冷冻取向和磁场取向处理，后冷冻干燥；
[0023]将冷冻干燥后的模具拆封且向其中加入柔性聚合物基底，后再次封装加热固化，后拆除模具即可。
[0024]本专利技术的有益效果：本专利技术公开的制备方法简单可靠，使得磁性碳基柔性应变传
感器能够大规模被生产，因此磁性碳基柔性应变传感器可广泛应用于柔性可穿戴装置当中，具有良好的应用前景。
[0025]作为一种可能的实施方式，采用超声震荡的方式将磁性纳米纤维、碳材料以及强度增强纤维混合，优选地，混合时间为10～30min。
[0026]作为一种可能的实施方式，冷冻的磁场中的温度为
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20℃～
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60℃，时间为2～12h；优选地，磁场的强度为100～800mT。
[0027]作为一种可能的实施方式，磁场由磁铁产生，磁铁包括铝镍钴磁铁、铁氧体磁铁、钕铁硼磁铁以及钐钴磁铁中的一种。
[0028]作为一种可能的实施方式，冷冻干燥中温度为
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40℃～
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60℃，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种敏感单元，其特征在于，主要由以下重量份的组分制备而成：1～35份磁性纳米纤维、60～98份碳材料以及强度增强纤维1～5份；所述磁性纳米纤维、所述碳材料以及所述强度增强纤维在所述敏感单元中通过冷冻取向和磁场取向呈有序排列。2.根据权利要求1所述的敏感单元，其特征在于，主要由以下重量份的组分制备而成：10～20份磁性纳米纤维、65～85份碳材料以及强度增强纤维2～5份；优选地，10～15份磁性纳米纤维、75～80份碳材料以及强度增强纤维3～4份。3.根据权利要求1或2所述的敏感单元，其特征在于，所述磁性纳米纤维包括铁纳米纤维、铜纳米纤维、镍纳米纤维以及钴纳米纤维中至少一种；优选地，所述碳材料包括碳纳米管、石墨烯、石墨以及炭黑中至少一种；优选地，所述强度增强纤维包括聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维、聚丙烯纤维、聚氯乙烯纤维、聚氨酯纤维、粘胶纤维、亚麻纤维、黄麻纤维、竹纤维、剑麻纤维、蕉麻纤维、棉纤维、纤维素、甲基纤维素、羧甲基纤维素，羟丙基甲基纤维素、乙基纤维素以及羟乙基纤维素中至少一种。4.一种具备有序取向结构的磁性碳基柔性应变传感器，包括柔性聚合物基底和与其连接的电极，其特征在于，所述磁性碳基柔性应变传感器还包括权利要求1
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3任一项所述的敏感单元，所述敏感单元封装于所述柔性聚合物基底中。5.根据权利要求4所述的磁性碳基柔性应变传感器，其特征在于，所述柔性聚合物基底由聚二甲基硅氧烷、水凝胶、硅橡胶、聚氨酯以及共聚酯中至少一种制成。6.根据权利要求4所述的磁性碳基柔性应变传感器，其特征在于，所述电极包括导电胶和导...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨平安，刘中邦，罗久飞，周志浩，崔旭，黄鑫，李锐，宋林隆，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：