[發明專利]基于碳納米纖維紗織物的柔性應變傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201810144355.6
• 申請日: 2018-02-12
• 公開（公告）號: CN108680095B
• 公開（公告）日: 2019-08-09
• 發明（設計）人: 閆濤;潘志娟
• 申請（專利權）人: 南通紡織絲綢產業技術研究院;蘇州大學
• 主分類號: G01B7/16
• 分類號: G01B7/16;D03D15/00;D03D13/00;D06C7/04
• 代理公司: 上海統攝知識產權代理事務所(普通合伙) 31303
• 代理人: 金利琴

本發明涉及一種基于碳納米纖維紗織物的柔性應變傳感器及其制備方法，制備方法：首先將聚合物溶液或液態聚合物均勻鋪展后干燥得到基體薄膜；再把碳納米纖維紗織物與引出電極連接，用聚合物溶液或液態聚合物浸潤后，置于基體薄膜上且干燥處理；在碳納米纖維紗織物的表面涂抹一次聚合物溶液或液態聚合物，干燥得基于碳納米纖維紗織物的柔性應變傳感器。最終產品包括：碳納米纖維紗織物、兩個與碳納米纖維紗織物連通的引出電極和覆蓋碳納米纖維紗織物上、下表面的聚合物薄膜；其在伸長率從0到5～12％之間進行循環拉伸時敏感系數為30～200；其在伸長率9％以下進行拉伸時其線性相關系數≥0.995。本發明的制備方法工藝簡單，成本低廉。

技術領域

本發明屬應變傳感器制備領域，涉及一種基于碳納米纖維紗織物的柔性應變傳感器及其制備方法。

背景技術

應變傳感器是基于測量物體受力變形所產生的應變的一種傳感器。電阻應變片則是其最常采用的傳感元件，是一種能將機械構件上應變的變化轉換為電阻變化的傳感元件，傳統的應變傳感器多采用金屬以及半導體作為原料制成，其僅在微小應變的條件下使用，且剛性大，不易彎曲，靈敏度低。隨著社會的發展，可穿戴電子產品領域，如：人體運動檢測及醫療器械對應變傳感器有了更高的要求——高柔韌性、高應變性、高靈敏性以及高穩定性，因此開發柔性高性能應變傳感器具有重大意義。

目前的柔性應變傳感器主要以導電的納米材料作為導電介質，例如：納米炭黑、石墨烯、碳納米管以及無機金屬納米顆粒或纖維，也有以普通碳纖維織物設計應變傳感器的相關報道。《Flexible and wearable strain sensing fabrics》(Cai G.M.；Yang M.Y.；XuZ.L.；Liu J.G.；Tang B.；Wang X.G.Flexible and wearable strain sensing fabrics[J].Chem.Eng.J.,2017,325:396-403.)公開了一種把石墨烯包裹在普通織物表面制備傳感器的方法，其獲得的傳感器最大敏感系數為18.5。《Carbonized silk georgette as anultrasensitive wearable strain sensor for full-range human activitymonitoring》(Wang C.Y.；Xia K.L.；Jian M.Q.；Wang H.M.；Zhang M.C.；ZhangY.Y.Carbonized silk georgette as an ultrasensitive wearable strain sensor forfull-range human activity monitoring[J].J.Mater.Chem.C,2017,5(30):7604-7611.)公開了一種利用真絲喬其紗碳化制備傳感器的方法，該方法制得的傳感器在40％的應變范圍內的敏感系數為29.7。《Wearable strain sensor made of carbonized cotton cloth》(Deng C.H.；Pan L.J.；Cui R.X.；Li C.W.；Qin J.Wearable strain sensor made ofcarbonized cotton cloth[J].J.Mater.Sci-Mater.El.,2017,28(4):3535-3541.)公開了一種碳化棉織物后制備傳感器的方法，該方法制得的傳感器的敏感系數最大為15，且應變小于3％。《Carbonized Silk Fabric for Ultrastretchable,Highly Sensitive,andWearable Strain Sensors.》(Wang,C.Y.；Li,X.；Gao,E.L.；Jian,M.Q.；Xia,K.L.；Wang,Q.；Xu,Z.P.；Ren,T.L.；Zhang,Y.Y.Carbonized Silk Fabric for Ultrastretchable,Highly Sensitive,and Wearable Strain Sensors.Adv.Mater.,2016,28,6640-6648.)公開了一種碳化蠶絲織物后制備傳感器的方法，該方法制得的傳感器在0到200％的應變范圍內的敏感系數為9.6。雖然上述方法在一定程度上提高了應變傳感器的敏感系數，但可以發現，制得的應變傳感器的敏感系數仍有較大提升空間，而且用上述方法制備的傳感器厚度多在500μm以上，這不利于傳感器整合到智能穿戴產品上。