一种液态金属基纤维传感器及制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及金属压电材料技术领域，具体涉及一种液态金属基纤维传感器及制备方法和应用，液态金属基纤维传感器包括空心纤维，所述空心纤维的内部具有液态金属，所述空心纤维的内径小于1mm。本发明专利技术的纤维传感器可以用于检测各种施加在纤维上的外力，其灵敏度高，精确度高。度高。度高。

【技术实现步骤摘要】
一种液态金属基纤维传感器及制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及金属压电材料
，具体涉及一种液态金属基纤维传感器及制备方法和应用。

技术介绍

[0002]柔性传感器广泛用于电子产品、穿戴设备，同时还是制作柔性机器人的必要部件，具有广阔的应用前景，目前的柔性传感器包括电容式、电阻式、电压式等结构，其通常采用的材料包括金属材料、无机半导体材料、有机材料和柔性基底。已报道以ZnO和ZnS为材料制作柔性传感器，其利用了光电效应，但是该材料的弯曲度有限。有机材料的柔韧性更好，但是对压阻和电容信号敏感度不如金属材料，在高精度的测量领域发展受限。
[0003]液态金属基传感器是由液态金属和柔性高分子材料形成的复合结构，通过拉伸等外力导致结构中的液态金属产生形变，改变液态金属的电阻，通过建立电阻和作用力之间的关系，来实现液态金属的传感功能。但是，目前的液态金属基传感器存在灵敏度较低，结构复杂等缺点；并且在通电情况下，液态金属会收缩，容易导致断路。

技术实现思路

[0004]为改善上述技术问题，本专利技术提供一种液态金属基纤维传感器，包括空心纤维，所述空心纤维的内部具有液态金属，所述空心纤维的内径小于1mm。
[0005]根据本专利技术的实施方案，所述空心纤维的内径小于0.5mm，例如为50
‑
200μm。
[0006]根据本专利技术的实施方案，所述空心纤维的外径小于1mm，例如小于0.5mm，例如为100
‑
400μm。
[0007]根据本专利技术的实施方案，所述空心纤维的内径为80
‑
120μm，外径为200
‑
300μm。
[0008]根据本专利技术的实施方案，所述空心纤维的内表面具有粗糙结构。
[0009]根据本专利技术的实施方案，所述空心纤维的内表面分布有凸起，所述凸起的高度例如为0.01
‑
10μm，例如为0.5
‑
2μm左右。
[0010]根据本专利技术的实施方案，所述空心纤维包括热塑性树脂和与热塑性树脂不相溶的颗粒物。所述热塑性树脂例如为聚酯，如饱和聚酯树脂，具体的，可选自聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚芳酯(PAR)等。所述颗粒物例如为无机物或着色剂，所述无机物例如为CaCO3颗粒、CaO颗粒、陶瓷颗粒等。
[0011]根据本专利技术的实施方案，所述着色剂例如为无机颜料、或有机颜料。所述颜料的选择基于所使用的热塑性树脂。所述颜料的熔点应高于所述热塑性树脂的粘流温度。所述无机颜料例如为二氧化钛、氧化铁、锌粉(氧化锌)、镉红、炭黑、铬黄、锌黄等，所述有机颜料例如为偶氮颜料、酞菁颜料、喹吖啶酮颜料、蒽醌颜料、靛族颜料、二噁嗪颜料、异吲哚啉酮颜料、苯并咪唑酮颜料等。
[0012]根据本专利技术的实施方案，所述颗粒物的平均粒径为0.1
‑
100μm，例如0.5
‑
50μm或1
‑
20μm。
[0013]在本专利技术的一个实施方案中，所述空心纤维含有60
‑
160份热塑性树脂和0.1
‑
15份颗粒物。
[0014]在本专利技术的一个实施方案中，所述空心纤维含有PET、PBT和着色剂。
[0015]在本专利技术的一个实施方案中，按质量份计，所述空心纤维含有70
‑
90份PET、40
‑
60份PBT、0.1
‑
10份着色剂。例如，按质量份计，所述空心纤维包括75
‑
85份PET、45
‑
60份PBT、1
‑
8份着色剂。
[0016]根据本专利技术的实施方案，所述空心纤维还含有其他助剂，例如增塑剂、成核剂(如纳米纤维成核剂)等。
[0017]根据本专利技术的实施方案，所述空心纤维是通过熔融挤出的方法制备得到的。例如将包括热塑性树脂、颗粒物等原料混合，加入挤出机中，熔融挤出，冷却得到所述空心纤维。在一个实施方式中，在挤出机挤出后，采用牵引机进行拉伸、冷却。
[0018]在制备空心纤维的过程中，聚合物发生熔融，而其中的颗粒物不熔融或仅部分熔融，因此在制备的空心纤维冷却定型后，其空心纤维的内部表面存在一些未完全溶解的着色剂颗粒或无机物颗粒，使纤维内部形成粗糙的表面。
[0019]根据本专利技术所述的纤维传感器，所述液态金属充满空心纤维的内部。
[0020]根据本专利技术的实施方案，所述液态金属选自至少一种在常温下保持液态的金属，优选地，包括合金液态金属和单质液态金属，例如，为镓铟基液态金属。优选地，所述镓基液态金属与铟基液态金属的质量比为3:1
‑
10:1。
[0021]根据本专利技术的实施方案，所述空心纤维外表面的两端以及空心纤维的两边开口处还设置有导电层，在两端的导电层之间不设置导电层，从而将正、负极分隔开，在所述两端的导电层上分别连接有导线，所述导线与电池相连，从而使空心纤维内部的液态金属和外部的导电层形成回路。
[0022]在本专利技术的一个实施方式中，所述未设置导电层的部分尽量靠近空心纤维的其中一端。这样设置可以使空心纤维分成两个部分，一部分为自由端部分，另一部分为与外部电路连接的部分(如图5)。在本专利技术的一个实施方式中，将空心纤维中未设置导电层的部分以及导线与导电层的连接处用绝缘体包覆。优选地，所述绝缘体包括绝缘塑料，例如为聚二甲基硅烷。
[0023]在本专利技术的一个实施方式中，所述一端的导电层的长度大于纤维总长度的一半，例如长度为纤维总长度的3/5或2/3等。所述另一端的导电层的长度小于纤维总长度的一半，例如1/3或1/5等。
[0024]在本专利技术的一个实施方式中，对于未设置导电层的部分的长度没有特别的限定，只要不形成通路即可，例如其长度占纤维总长度的1/3、1/5、1/6、1/8等。
[0025]根据本专利技术的实施方案，所述导电层的组成例如选自铜、银等金属。在一个实施方式中，所述导电层为银浆涂层。
[0026]根据本专利技术的实施方案，所述导电层的厚度低于100μm，优选所述导电层的厚度低于50μm。
[0027]根据本专利技术的实施方案，所述导电层与导线连接处被导电层的物质(例如银浆)包裹。
[0028]本专利技术还提供一种上述液态金属基纤维传感器的制备方法，包括将液态金属注入
所述空心纤维中，在所述空心纤维外表面的两端以及空心纤维的两边顶点还设置有导电层，在两端的导电层之间不设置导电层，在所述两端的导电层上分别连接导线。
[0029]根据本专利技术的实施方案，在空心纤维外面未设置导电层的部分以及导电层与导线连接之处用绝缘体包覆、封装在一起。
[0030]根据本专利技术的实施方案，所述液态金属具有如上所述的定义。
[0031]本专利技术还提供一种上述液态金属基纤维传感器用作力传感器或速度传感器。例如用于检测风速、车速、血压、脉搏、或呼吸等。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种液态金属基纤维传感器，其特征在于，包括空心纤维，所述空心纤维的内部具有液态金属，所述空心纤维的内径小于1mm。根据本发明的实施方案，所述空心纤维的内径小于0.5mm。2.根据权利要求1所述的液态金属基纤维传感器，其特征在于，所述空心纤维的内表面具有粗糙结构。优选地，所述空心纤维的内壁分布有凸起，所述凸起的高度为0.01
‑
10μm，例如为0.5
‑
2μm左右。3.根据权利要求1所述的液态金属基纤维传感器，其特征在于，所述空心纤维包括热塑性树脂和与热塑性树脂不相溶的颗粒物。优选地，所述热塑性树脂例如为聚酯，如饱和聚酯树脂，例如可选自聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚芳酯(PAR)等。所述颗粒物例如为无机物或着色剂，所述无机物例如为CaCO3颗粒、CaO颗粒、陶瓷颗粒等。优选地，所述着色剂例如为无机颜料、或有机颜料。无机颜料例如为二氧化钛、氧化铁、锌粉(氧化锌)、镉红、炭黑、铬黄、锌黄等，所述有机颜料例如为偶氮颜料、酞菁颜料、喹吖啶酮颜料、蒽醌颜料、靛族颜料、二噁嗪颜料、异吲哚啉酮颜料、苯并咪唑酮颜料等；优选地，所述空心纤维还包括增塑剂、成核剂(如纳米纤维成核剂)等。4.根据权利要求1至3任一项所述的液态金属基纤维传感器，其特征在于，所述空心纤维是通过将包括热塑性树脂、颗粒物的原料混合，经熔融挤出的方法得到所述空心纤维。5.根据权利要求1所述的液态金属基纤维传感器，其特征在于，所述液...

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，傅俊衡，唐守胜，刘静，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：