MXene界面耦合增强式人机界面传感器及制备方法技术

本发明专利技术提出了一种MXene界面耦合增强式人机界面传感器及制备方法。该传感器为单电极结构，由底电极和其上的纳米复合薄膜构成。其中，纳米复合薄膜是压电聚合物和二维材料MXene的复合物，在复合物固化过程中利用MXene表面和压电聚合物分子链官能团之间的氢键作用，诱导压电聚合物形成极性β相，进而同时提升复合薄膜的介电常数ε

【技术实现步骤摘要】
MXene界面耦合增强式人机界面传感器及制备方法


[0001]本专利技术属于纳米材料领域、微纳能源领域，涉及成膜技术，具体涉及一种动静全程敏感式人机界面传感器及制备方法。

技术介绍

[0002]触摸是目前应用最为广泛、最符合直觉的人机交互方式之一。触摸传感器不仅可以用于门锁、触控开关等无屏幕的设备，还能集成在手机、数位板等具有图形界面的电子产品上。目前的触摸传感器大都依赖外电源，需要额外设计供电电路，不仅使器件结构臃肿，而且增加设计成本。
[0003]压电
‑
摩擦电纳米发电机的专利技术，推动了环境机械能的有效收集。由于其具有轻便、灵活、选材范围广等特点，可收集来自人体、自然环境中低频且不规律的机械能，为小型电子器件提供能量，使其在触屏技术、电子皮肤、医疗保健、基础设施监控、环境监测等方面都具有潜在应用价值。
[0004]运用压电
‑
摩擦电复合薄膜设计的触摸传感器，可以利用触摸行为本身的能量实现自供能，无需外接电源。对于压电效应，表面电荷密度与压电系数成正比；对于摩擦电效应，功率密度与表面摩擦电荷密度呈二次方关系。为此人们通过材料选择和结构优化等方式提高电荷密度，从而拓展压电
‑
摩擦电纳米发电机的应用领域。
[0005]PVDF是一种半结晶聚合物，由CH2＝CF2单体聚合而成，在不同的晶格类型和链构象中具有五个结晶相(α，β，γ，δ和ε)。对于β相的PVDF，由于
‑
CF2排列在分子链的同一侧
‑
CH2排列在另一侧，因此具有最大的极性，也具备最大的压电性，其压电系数d
33
约为29pC/N。然而，市面上的PVDF多为α相，其
‑
CF2与
‑
CH2交替排列在分子链两侧，因此不具备压电性能。为了在PVDF中获得更高比例的β相，人们研究出了多种策略，如原位极化、热拉伸和高电场。然而这些工艺无疑会提高能耗和成本。
[0006]MXenes是一类具有类石墨烯结构的过渡金属碳化物二维纳米材料。通常，MXenes的化学式为M
n+1
X
n
T
x
(n＝1
‑
4)，其中M代表前过渡金属(Ti、V、Nb等)，X代表碳或氮，T
x
表示不同的表面终端基团(
‑
OH、＝O、
‑
F等)。MXene纳米片表面有羟基或末端氧，因此具有过渡金属碳化物的金属导电性，在增强电化学性能方面的显着优势在于其较大的比表面积和良好的机械强度，在充电/放电过程中促进电子和离子的传输而不会损坏结构。
[0007]利用MXene诱导增强聚合物薄膜的压电系数(d
33
)与介电常数(ε
33
)可以进一步提高压电
‑
摩擦电纳米发电机的输出性能。这个过程是自发的，不需要额外的能量和繁琐的工艺。从微观层面调控聚合物材料结构的方法操作简单、成本低廉、实用性高，改善了压电
‑
摩擦纳米发电机的应用前景，扩大了应用范围，为压电
‑
摩擦电纳米发电机的优化提供了一个新的研究方向。

技术实现思路

[0008]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种MXene界面耦合增强
式人机界面传感器及制备方法。
[0009]为实现上述专利技术目的，本专利技术技术方案如下：
[0010]一种MXene界面耦合增强式人机界面传感器，传感器包括底部透明电极1，该电极通过导线直接接地，底部透明电极1的上表面设有纳米复合薄膜2，底部透明电极1与纳米复合薄膜2整体用透明柔性绝缘封装材料3封装；透明柔性绝缘封装材料3为折射率与复合薄膜2相近的材料，两者的相对折射率相差
±
0.1以内；
[0011]底部透明电极1表面的纳米复合薄膜2是压电聚合物和二维材料MXene的复合物，将MXene与压电聚合物溶解在有机溶剂中制备纺丝前驱液，然后通过静电纺丝工艺得到复合薄膜；在复合物固化过程中利用MXene和压电聚合物分子链中官能团之间的氢键作用，诱导压电聚合物形成极性β相，进而提升复合薄膜2的压电系数d
33
；同时，引入MXene提升复合薄膜2的介电常数ε
33
，介电常数ε
33
的增加将提升隔空感应时的接近觉探测灵敏度，压电系数d
33
的增加将提升按压时的压力探测灵敏度；
[0012]器件工作时，手指作为上电极，人体与底电极通过大地连通，构成回路，纳米复合薄膜带正电或者负电，手指与底电极感生出与薄膜电性相反的电荷，在手指靠近和远离聚合物薄膜的过程中，感生的自由电荷通过大地在人体和底电极之间来回流动；手指在未接触器件时，进行摩擦电式接近觉探测，此为隔空感应；手指接触器件后，挤压薄膜发生形变的过程中，进行压电式按压探测，此为接触感应。
[0013]作为优选方式，MXene材料为Ti3C2、Ti2C、Nb2C、Nb4C3、V2C、V4C3其中一种MXene材料。
[0014]作为优选方式，制备纺丝前驱液的有机溶剂选自：N,N二甲基甲酰胺DMF、N,N二甲基乙酰胺DMAc、二甲基亚砜DMSO、四氢呋喃THF、N
‑
甲基吡咯烷酮NMP其中任意一种或者其与丙酮的混合物。
[0015]作为优选方式，二维材料MXene通过如下步骤制备：
[0016](1.1)取6
‑
10mol/L稀盐酸溶液，加入2
‑
7wt％LiF搅拌5
‑
15min得到HF溶液；
[0017](1.2)加入2
‑
6wt％Ti3AlC2并在30
‑
40℃水浴条件下搅拌20
‑
30h，得到混合溶液；
[0018](1.3)将混合溶液以3000
‑
5000rpm、2
‑
5min/次进行离心分离并重复5
‑
6次；
[0019](1.4)使用过滤孔小于0.45μm滤纸抽滤，并在35
‑
45℃真空条件下干燥12
‑
24h后得到二维材料MXene。
[0020]作为优选方式，纺丝前驱液的制备包括如下步骤：
[0021](1.5)将MXene粉末溶解在体积比2:3的丙酮与N,N
‑
二甲基甲酰胺的混合液中，超声处理10
‑
30min，保证纳米颗粒的分散性；
[0022](1.6)加入聚偏氟乙烯PVDF颗粒，占溶液质量分数5
‑
20wt％，在40
‑
60℃水浴条件下磁力搅拌1
‑
3h，使其完全溶解，再超声10
‑
30min以获得均匀稳定的混合溶液；MXene和PVDF的质量比为1:39，即MXene占本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MXene界面耦合增强式人机界面传感器，其特征在于：传感器包括底部透明电极(1)，该电极通过导线直接接地，底部透明电极(1)的上表面设有纳米复合薄膜(2)，底部透明电极(1)与纳米复合薄膜(2)整体用透明柔性绝缘封装材料(3)封装；透明柔性绝缘封装材料(3)为折射率与复合薄膜(2)相近的材料，两者的相对折射率相差
±
0.1以内；底部透明电极(1)表面的纳米复合薄膜(2)是压电聚合物和二维材料MXene的复合物，将MXene与压电聚合物溶解在有机溶剂中制备纺丝前驱液，然后通过静电纺丝工艺得到复合薄膜；在复合物固化过程中利用MXene和压电聚合物分子链中官能团之间的氢键作用，诱导压电聚合物形成极性β相，进而提升复合薄膜(2)的压电系数d
33
；同时，引入MXene提升复合薄膜(2)的介电常数ε
33
，介电常数ε
33
的增加将提升隔空感应时的接近觉探测灵敏度，压电系数d
33
的增加将提升按压时的压力探测灵敏度；器件工作时，手指作为上电极，人体与底电极通过大地连通，构成回路，纳米复合薄膜带正电或者负电，手指与底电极感生出与薄膜电性相反的电荷，在手指靠近和远离聚合物薄膜的过程中，感生的自由电荷通过大地在人体和底电极之间来回流动；手指在未接触器件时，进行摩擦电式接近觉探测，此为隔空感应；手指接触器件后，挤压薄膜发生形变的过程中，进行压电式按压探测，此为接触感应。2.根据权利要求1所述的一种MXene界面耦合增强式人机界面传感器，其特征在于：MXene材料为Ti3C2、Ti2C、Nb2C、Nb4C3、V2C、V4C3其中一种MXene材料。3.根据权利要求1所述的一种MXene界面耦合增强式人机界面传感器，其特征在于：制备纺丝前驱液的有机溶剂选自：N,N二甲基甲酰胺DMF、N,N二甲基乙酰胺DMAc、二甲基亚砜DMSO、四氢呋喃THF、N
‑
甲基吡咯烷酮NMP其中任意一种或者其与丙酮的混合物。4.根据权利要求1所述的一种MXene界面耦合增强式人机界面传感器，其特征在于：二维材料MXene通过如下步骤制备：(1.1)取6
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10mol/L稀盐酸溶液，加入2
‑
7wt％LiF搅拌5
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15min得到HF溶液；(1.2)加入2
‑
6wt％Ti3AlC2并在30
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40℃水浴条件下搅拌20
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30h，得到混合溶液；(1.3)将混合溶液以3000
‑
5000rpm、2
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5min/次进行离心分离并重复5
‑
6次；(1.4)使用过滤孔小于0.45μm滤纸抽滤，并在35
‑
45℃真空条件下干燥12
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24h后得到二维材料MXene。5.根据权利要求1所述的一种MXene界面耦合增强式人机界面传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏元捷，李惟雄，谢光忠，黄俊龙，陈春旭，黎威志，太惠玲，杜晓松，蒋亚东，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：