一种基于黑磷金复合纳米材料的海绵应变传感器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种基于黑磷金复合纳米材料的海绵应变传感器及其制备方法和应用，属于柔性电子材料技术领域，海绵应变传感器包括封装成一体的海绵应变电极和纸张印刷电极；其中，海绵应变电极包括三聚氰胺海绵，所述三聚氰胺海绵中填充有黑磷金复合纳米材料，采用的三聚氰胺海绵和纸张衬底柔韧性好，在压力作用下的形变能力强，即对形变感应敏感，且由于三聚氰胺海绵具有大量的空隙，能够容纳更多的黑磷金复合纳米材料，因此在提高舒适度、响应速度以及灵敏度的同时还表现出更好的稳定性和规范系数。规范系数。规范系数。

【技术实现步骤摘要】
一种基于黑磷金复合纳米材料的海绵应变传感器及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于柔性电子材料
，具体涉及一种基于黑磷金复合纳米材料的海绵应变传感器及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]传统的金属或无机半导体传感器通常是刚性的和小范围的应变检测，因此不适合穿戴电子人体皮肤。近年来，随着可穿戴设备领域对可穿戴性、简单性和高灵敏度的需求，柔性可穿戴传感器受到越来越多的关注，人体运动检测，个人健康监测，语音识别，人机交互等。柔性压力传感器是此类器件的核心部件，基于传感机制的压力传感器主要有四种类型，即压阻型，压电，电容式和摩擦电热传感器。将外界刺激转化为电阻的压阻式传感器，由于其相对简单的结构、易于测量、低成本和运行中的低功耗而极具吸引力。然而，提高响应速度、灵敏度和稳定性仍然具有挑战性。
[0003]英国市场分析公司IDTechEx预测，直至2028年，全球柔性电子市场有望达3010亿美元。另外，IDTechEx公司在过去十年中对可穿戴技术进行研究，研究结果显示，在整个这段时间里，可穿戴技术经历了一次动荡的成长，其话题迅猛增加，同时还伴随着数十亿美元的资金，成千上万的新专利申请与新的公司，以及成千上万的新产品和数百亿美元的新收入。迄今为止，可穿戴技术产品已取得了很大的成功，其2019年的总市场价值近700亿美元，自2014年以来规模已翻了一番。在急诊环境中，可穿戴设备可以对患者进行远程监测，医护人员可在安全距离内监测患者的生命体征。柔性可穿戴医疗类产品因其柔软、轻薄的特性，为用户带来舒适的穿戴体验。显而易见的是，柔性可穿戴设备在健康管理方面具有极大的应用价值。随着5G、AI、可穿戴设备等技术的不断发展，可穿戴医疗设备将会克服各种困难，在真正意义上成为可穿戴、智能化的医疗设备，在更大范围内和更深层次上为人们的健康生活提供坚实有力的保障。
[0004]从柔性可穿戴设备的佩戴舒适度、响应速度以及灵敏度三方面出发，现有的柔性可穿戴设备的材料在上述三方面特别是响应速度和灵敏度方面还需要进一步改进。

技术实现思路

[0005]本专利技术的第一目的在于提供一种基于黑磷金复合纳米材料的海绵应变传感器，以解决现有技术中柔性可穿戴设备在在上述三方面特别是响应速度方面还需要进一步改进的问题。
[0006]本专利技术公开了一种基于黑磷金复合纳米材料的海绵应变传感器，包括封装成一体的海绵应变电极和纸张印刷电极；其中，海绵应变电极包括三聚氰胺海绵，所述三聚氰胺海绵中填充有黑磷金复合纳米材料。
[0007]采用上述技术方案的情况下，采用的三聚氰胺海绵和纸张衬底柔韧性好，在压力作用下的形变能力强，即对形变感应敏感，且由于三聚氰胺海绵具有大量的空隙，能够容纳
更多的黑磷金复合纳米材料，因此在提高舒适度、响应速度以及灵敏度的同时还表现出更好的稳定性和规范系数。另外，在制备中只需将三聚氰胺海绵简单清洗即可，具有成本低、制作和使用简单等优点。本专利技术制备的海绵应变传感器可应用于制备柔性可穿戴设备、可穿戴医疗设备、感知压力变化设备。
[0008]作为一种可能的设计，所述黑磷金复合纳米材料由金离子修饰黑磷二维片状纳米材料得到。
[0009]作为一种可能的设计，所述金离子来源于氯金酸溶液。
[0010]采用金纳米颗粒修饰二维片状纳米材料，金纳米颗粒填补了二维片状纳米材料的边缘缺陷，保护了二维片状纳米材料，得到的复合纳米材料具有很好的导电性和空气可接受性，从而提高了柔性可穿戴设备的灵敏度。其中，本专利技术采用的二维片状纳米材料包括但不限于石墨烯、黑磷和碳化钛纳米片。然后，通过复合纳米材料分散液中的水分蒸发，使复合纳米材料转移到三聚氰胺海绵上，形成包裹着复合纳米材料的电极。
[0011]第二目的，本专利技术提供一种海绵应变传感器的制备方法，包括：
[0012]将三聚氰胺海绵加入至黑磷金复合纳米材料溶液中，加热至液体蒸发后并放置于真空干燥箱里在30～40℃的环境下干燥4～6h，制得海绵应变电极；
[0013]在纸张上印刷导电碳浆，形成电极，然后于40～50℃干燥3～5h，制备纸张印刷电极；
[0014]将所述海绵应变电极和所述纸张印刷电极的接触区域通过导电粘接材料粘接后并封装。
[0015]采用上述技术方案的情况下，制备方法简单，易操作，易实现将黑磷金复合纳米材料固定于三聚氰胺海绵的空隙中。
[0016]作为一种可能的设计，所述黑磷金复合纳米材料溶液的制备方法如下：
[0017]将氯金酸溶液和黑磷二维片状纳米材料溶液混合，于室温下振荡反应所得；所述氯金酸和所述黑磷二维片状纳米材料的质量比为1:5～10:5。
[0018]作为一种可能的设计，所述氯金酸溶液的浓度为1mg/mL；所述黑磷二维片状纳米材料溶液的浓度为1mg/mL。
[0019]作为一种可能的设计，所述黑磷二维片状纳米材料的制备方法为：
[0020]将块状黑磷研磨后配制成浓度为1mg/mL的黑磷分散液，将黑磷分散液置于500W超声波冰水浴中剥离30～35h，最后，将剥离后的混合液进行离心处理以去除未剥离的黑磷颗粒，收集上层黑磷纳米片悬浊液即可。
[0021]作为一种可能的设计，所述纸张印刷电极的具体制备过程为：
[0022]将导电碳浆倾倒至丝网印刷模板上，使用刮板将导电碳浆透过丝网印刷模板在柔纸张形成电极即可；所述丝网印刷模板为双指电路形状。
[0023]本专利技术丝网印刷的模板为定制形状，采用双指电路形状，有降低阻抗、快速建立稳态信号、信噪比高等优点，便于研制灵敏、快速、特异的传感设备。
[0024]作为一种可能的设计，所述导电碳浆为由碳和石墨构成的混合油墨。
[0025]本专利技术通过在不同的压力下黑磷金复合纳米材料电极的内部电路的相互接触的面积不同从而导致电阻不同来将压力信号转换为点位信号，在无压力时，海绵骨架上的导电通路接触面积小，接触数小；施加压力时，接触面积大，接触数大。因此本专利技术制备的海绵
应变传感器可适用于所有感知压力变化的场景。
[0026]本专利技术的有益效果：
[0027]本专利技术制得的海绵应变传感器制作原理和过程简便，选用柔软的三聚氰胺海绵和纸张，佩戴舒适度好，因其独特的结构和复合纳米材料，提升了本专利技术制得的海绵应变传感器的响应速度、灵敏性、稳定性以及规范系数，使得其实用性强，可靠性高，具有很高的实用价值和商业价值，有效促进可穿戴设备的发展。
附图说明
[0028]图1为本专利技术制得的海绵应变传感器的结构示意图；
[0029]图2为本专利技术制得的海绵应变传感器的柔性可穿戴设备的检测原理图；
[0030]图3为本专利技术黑磷金复合纳米材料电极的构建过程；
[0031]图4为本专利技术不同质量比所制成电极的导电性能；
[0032]图5为本专利技术实施例4制备得到的黑磷金复合纳米材料电极的扫描电子显微镜照片；
[0033]图6为本专利技术实施例4制备得到的海绵应变传感器的灵敏度测试结果图；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于黑磷金复合纳米材料的海绵应变传感器，其特征在于，包括封装成一体的海绵应变电极和纸张印刷电极；其中，海绵应变电极包括三聚氰胺海绵，所述三聚氰胺海绵中填充有黑磷金复合纳米材料。2.根据权利要求1所述的海绵应变传感器，其特征在于，所述黑磷金复合纳米材料由金离子修饰黑磷二维片状纳米材料得到。3.根据权利要求2所述的海绵应变传感器，其特征在于，所述金离子来源于氯金酸溶液。4.一种权利要求1
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3任一项所述的海绵应变传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将三聚氰胺海绵加入至黑磷金复合纳米材料溶液中，加热至液体蒸发后并放置于真空干燥箱里在30～40℃的环境下干燥4～6h，制得海绵应变电极；在纸张上印刷导电碳浆，形成电极，然后于40～50℃干燥3～5h，制备纸张印刷电极；将所述海绵应变电极和所述纸张印刷电极的接触区域通过导电粘接材料粘接后并封装。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述黑磷金复合纳米材料溶液的制备方法如下：将氯金酸溶液和黑磷二维片状纳米材料溶液混合，于室温下振...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜海，翁璇，张靖，秦梅，翁志伟，张嘉博，李明，孙燕，
申请(专利权)人：电子科技大学广东电子信息工程研究院，
类型：发明
国别省市：