[發(fā)明專利]一種傳感性能可調(diào)的柔性應(yīng)變傳感器的制備方法

有效

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• 申請日: 2020-03-04
• 公開（公告）號: CN111336912B
• 公開（公告）日: 2021-08-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張濱;白瑤瑤;王哲軒
• 申請（專利權(quán)）人: 東北大學(xué)
• 主分類號: G01B7/16
• 分類號: G01B7/16;B82Y40/00;B82Y15/00
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;隋秀文

本發(fā)明公開了一種傳感性能可調(diào)的應(yīng)變傳感器的制備方法，是將碳納米管分散液抽濾制得碳納米管薄膜，將其與彈性體進(jìn)行固化復(fù)合制成單面導(dǎo)電柔性基底；再對預(yù)拉伸狀態(tài)下的柔性基底進(jìn)行電沉積銅薄膜，之后回復(fù)到自由狀態(tài)制備出微結(jié)構(gòu)可調(diào)的銅/柔性基底復(fù)合薄膜；將兩根銅導(dǎo)線分別連接在復(fù)合薄膜兩端然后再用彈性體對復(fù)合薄膜進(jìn)行封裝，制備出傳感性能可調(diào)的柔性應(yīng)變傳感器。本發(fā)明所制備的傳感器是由單面導(dǎo)電柔性基底和電沉積的銅薄膜組成，可以實現(xiàn)靈敏度和線性度可調(diào)節(jié)、應(yīng)變監(jiān)測范圍寬的特點，可應(yīng)用于柔性可穿戴、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測以及重力測試技術(shù)等領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于復(fù)合材料柔性傳感器制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及為一種靈敏度和線性度可調(diào)節(jié)、應(yīng)變監(jiān)測范圍寬的柔性應(yīng)變傳感器的制備方法。

背景技術(shù)

隨著社會的發(fā)展和進(jìn)步，微型化和智能化的應(yīng)變傳感器在我們的生活中隨處可見。與傳統(tǒng)的基于金屬和半導(dǎo)體材料的應(yīng)變傳感器相比，柔性應(yīng)變傳感器克服了其脆性的缺點，具有柔韌性和可拉伸性，在人體健康監(jiān)測、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測以及重力測試等領(lǐng)域有著巨大的潛力。柔性傳感器主要由柔性聚合物基底與導(dǎo)電傳感材料組成。其中可制備柔性基底的聚合物有:聚酯、聚酰亞胺、聚對苯二甲酸乙二酯、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷和天然橡膠等材料。傳感材料作為柔性傳感器的核心部分，迄今為止已使用碳納米材料(碳納米管、石墨烯和炭黑)和金屬納米材料(金屬納米線和金屬納米顆粒)等制備了不同的傳感器。特別是碳納米管作為一種重要的新型材料，以其優(yōu)異的導(dǎo)電性和力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于制備高性能的應(yīng)變傳感器。如何兼具高靈敏度和寬應(yīng)變檢測范圍是柔性傳感器發(fā)展中面臨的重要挑戰(zhàn)。然而獲得高靈敏度需要傳感器在小的應(yīng)變下發(fā)生顯著的結(jié)構(gòu)變化，而寬應(yīng)變監(jiān)測范圍則要求傳感器在大應(yīng)變下仍能保持結(jié)構(gòu)完整性，通常這二者相互制約，難以兼得。目前的柔性傳感器主要采用兩種制備策略來實現(xiàn)寬應(yīng)變監(jiān)測范圍和高的靈敏度，一種是采用特殊結(jié)構(gòu)，一種是引入新型傳感材料。然而按照上述兩種方法制備的傳感器的結(jié)構(gòu)單一，傳感器的傳感性能難以調(diào)節(jié)，使傳感器的實際應(yīng)用受到嚴(yán)重的限制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種微觀結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)的柔性應(yīng)變傳感器的方法，該方法可以制備出靈敏度和線性度可調(diào)的寬應(yīng)變監(jiān)測范圍的應(yīng)變傳感器。

一種傳感性能可調(diào)的應(yīng)變傳感器的制備方法，步驟如下：

將碳納米管的分散液經(jīng)過抽濾得到碳納米管薄膜，置于模具中；將液態(tài)彈性體與固化劑按照25:1～1:1的比例混合滴入到模具中，在室溫下靜置10～30分鐘后放入烘箱中，待完全固化后剝離，制備出單面導(dǎo)電(裸露碳納米管薄膜的表面)的柔性基底。

使用夾具對柔性基底施加預(yù)應(yīng)變并將其用做電解池的陰極，銅板作為陽極，將基底導(dǎo)電的一面正對著銅板進(jìn)行電沉積，然后卸掉夾具使柔性基底回復(fù)到自由狀態(tài)得到銅/柔性基底復(fù)合薄膜。電沉積過程中對柔性基底施加的預(yù)應(yīng)變?yōu)?％～100％，電沉積時間為1～30分鐘，電流密度為1～10A/m²，電解溶液為1～2mol/L的CuSO₄·5H₂O和少量的H₂SO₄。

采用導(dǎo)電銀膠或?qū)щ娔z帶將兩根銅導(dǎo)線分別連接在復(fù)合薄膜兩端，然后用彈性體對復(fù)合薄膜進(jìn)行封裝，制備出柔性應(yīng)變傳感器。

所述的碳納米管分散液可采取超聲、磁力攪拌、離心等分散方法制得，碳納米管薄膜厚度為10～300μm。

所述的彈性體可以是聚二甲基硅氧烷、熱塑性聚氨酯或硅橡膠等任意一種。

本發(fā)明可以制備微結(jié)構(gòu)不同的電沉積銅膜，所制備的傳感器是由單面導(dǎo)電柔性基底和電沉積的銅膜組成，可以實現(xiàn)靈敏度和線性度可調(diào)節(jié)、應(yīng)變監(jiān)測范圍寬的特點，應(yīng)用于柔性可穿戴、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測以及重力測試等技術(shù)領(lǐng)域。

附圖說明

圖1為制備的銅/柔性基底復(fù)合薄膜示意圖。

圖2為制備出的銅/柔性基底復(fù)合薄膜的激光掃描共聚焦顯微鏡照片。