[發明專利]一種高靈敏度與寬量程的復合導電納米纖維氣凝膠傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201911072904.4
• 申請日: 2019-11-05
• 公開（公告）號: CN112763106B
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發明（設計）人: 王棟;劉志豪;蔣海青;鐘衛兵;丁新城;柯弈名
• 申請（專利權）人: 武漢紡織大學
• 主分類號: G01L1/18
• 分類號: G01L1/18
• 代理公司: 武漢卓越志誠知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42266
• 代理人: 胡婷婷

本發明公開了一種高靈敏度與寬量程的復合導電納米纖維氣凝膠傳感器及其制備方法，以熱塑性聚合物納米纖維及導電材料為原料并合理控制其用量比，通過冷凍干燥法制得具有三維結構的納米纖維氣凝膠材料，利用氣凝膠材料較低的密度、較高的柔軟度、高導電性和可逆的壓縮性，使在不同壓力范圍內具有高靈敏度的不同復合導電納米纖維氣凝膠進行組合，實現各級復合導電納米纖維氣凝膠對不同力值范圍內的壓力的高靈敏度檢測，通過巧妙的多級復合導電納米纖維氣凝膠結構分布，實現了傳感器在小壓力直至大壓力范圍內的全量程高靈敏度，且實現了寬量程，解決了靈敏度與量程之間的對立矛盾，大大提高了此類傳感器的性能，豐富了此類傳感器的應用場景。

技術領域

本發明涉及傳感器技術領域，尤其涉及一種高靈敏度與寬量程的復合導電納米纖維氣凝膠傳感器及其制備方法。

背景技術

靈敏度和量程是傳感器的兩個重要性能參數，兩者一般為相互制約的對立關系，這在很多場合不能滿足人們對這兩方面的綜合需求。《磁致鏈化對磁流變彈性體壓阻效應的影響》.復合材料學報.2017(9)和《Piezo-capacitive behavior ofmagneticallystructured particles based conductive polymer with highsensitivity and awide working range》.Journal ofMaterials Chemistry C，2018,6(20)等文獻中指出一種磁性金屬顆粒填充的導電橡膠，在成型過程中施加磁場實現對填充粒子的空間分布進行調控，材料呈現的壓阻效應及壓容效應非常顯著。因此，由微小導電(且/或導磁)顆粒混合絕緣性有機體的磁流變彈性體(實為導電復合材料)成為了一種新型的壓容/壓阻式壓力或應變敏感材料，原理是微觀上導電顆粒的空間分布在壓力/應變壓縮作用下發生重新排列，從而顯著地改變敏感材料的介電常數或電導率，由此制作的壓力/應變傳感器具有寬量程和較好的靈敏度。特別地，在磁場條件下制備的該型導電復合材料，通過在微觀上建立磁致鏈化型微觀結構，可獲得相比傳統敏感材料高一至兩個數量級的超高靈敏度，同時因顆粒填充增大的楊氏模量使之具備寬量程。然而，此類導電復合材料的高靈敏度體現在大壓力范圍內，而在初始階段的小壓力范圍內的靈敏度并不理想。顆粒重排度是影響此類導電復合材料靈敏度的關鍵因素，即宏觀上的壓力作用使材料擠壓變形，導致微觀上的顆粒分布發生重新排列，以致鄰近顆粒重新配對成大量新的微電容器或通道，從而劇烈地影響著敏感材料的宏觀電容或電阻。因此，顆粒重排的大規模發生，依賴于壓力作用時材料的宏觀應變是否明顯，這也正是在初始階段小壓力范圍內的靈敏度偏小的原因所在。

為了克服上述技術缺陷，研究者提出通過提高顆粒體積分數和使用納米顆粒填充(兩者都是增大顆粒重排的顆粒數量)、采用磁致鏈化的制備條件(增大局部顆粒體積分數)來提高靈敏度，但所受益的靈敏度提升仍然主要是在大壓力范圍，而小壓力范圍內的靈敏度依舊難以滿足要求，尤其填充納米顆粒的方法還會明顯地降低量程。由此可見，單純改變材料配方很難兼顧靈敏度和量程之間的平衡，且工藝上的難度及成本較高。在顆粒體積分數一定的條件下，敏感材料易變形將提升顆粒重排度(由此提升靈敏度)、而變形困難意味著增大敏感材料抵抗外界壓力的上限(即增大了量程)，其他柔性敏感材料一般也具有這一特征。針對這一事實，需要一種高靈敏度與寬量程壓力傳感器。

此外，一種敏感材料通常僅在某個壓力范圍內具有高靈敏度，而在低于此壓力范圍時靈敏度較低，在高于此壓力范圍時靈敏度也較低或已產生飽和。因此，倘若利用在不同壓力范圍內具有高靈敏度的敏感單元進行組合，便可以實現在從低至高壓力整個范圍內的高靈敏度，且依舊獲得寬量程，而此結構組合的關鍵是如何使不同敏感單元以一定次序在其有效壓力范圍內受壓而發揮作用。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術存在的針對壓力傳感器用敏感材料易變形將提升傳感器靈敏度，而敏感材料變形困難將增大傳感器量程的這一特性，或使在不同壓力范圍內具有高靈敏度的不同敏感材料進行結構組合，提供一種從小壓力至大壓力整個范圍內均具有高靈敏度，并能夠保持寬壓力量程的高靈敏度與寬量程的復合導電納米纖維氣凝膠傳感器及其制備方法。