[發明專利]柔性力致發光光纖及其制備方法和大應變傳感應用裝置

有效

• 申請號: 202011023913.7
• 申請日: 2020-09-25
• 公開（公告）號: CN112213815B
• 公開（公告）日: 2022-01-18
• 發明（設計）人: 甘久林;梁好花;陳美華;楊中民
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G02B6/02
• 分類號: G02B6/02;G02B6/32;G01B11/16;C08L83/04;C08K3/30
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍;江裕強

本發明公開了柔性力致發光光纖及其制備方法和大應變傳感應用裝置。所述柔性力致發光光纖包括基質光纖、力致發光傳感層以及保護層；基質光纖具有纖芯?包層結構，包括纖芯和包層，包層包裹在纖芯外；所述力致發光傳感層復合在基質光纖的包層外側；所述保護層包裹在力致發光傳感層外；所述力致發光傳感層無需電源或光源的持續激發，直接在外力作用下產生相應強度的力致熒光，通過基質光纖收集力致熒光并沿基質光纖傳輸至遠端進行探測解調。利用力致發光材料與彈性體材料復合制備的柔性力致發光光纖，集感知與傳輸功能于一體，可以實現熒光的軸向收集和傳導，將進一步有效提高熒光的收集效率和測量準確性，實現原位實時的熒光監測和應變傳感功能。

技術領域

本發明屬于光纖傳感領域，尤其涉及一種柔性力致發光光纖及其制備方法和大應變傳感應用裝置。

背景技術

力致發光材料(Mechanoluminescent)，是一種在受到壓力、沖擊、摩擦等機械刺激時會以光的形式對外釋放能量的材料。由于能夠實現力與光之間的能量轉換，該材料在力致驅動照明光源、建筑結構健康監測、人體運動監測等領域具有廣泛的應用前景。目前，根據材料所受機械刺激的類型，力致發光材料可分為變形發光、斷裂發光及摩擦發光三大類，而變形發光又可分為彈性變形發光和塑性變形發光，其中，彈性變形發光具有發光可恢復性且發光強度與負載大小呈良好線性關系的特點，因此彈性力致發光材料在應力應變的傳感與成像等領域具有較好的應用價值(Progress in Materials Science.2019,103,678–742)，為應力應變的探測提供了一種新型方案。

同時，隨著人們對柔性可穿戴應變傳感器的需求日益迫切，目前已有大量的研究工作投入到力致發光材料柔性應力應變傳感器的設計和研發中(Adv.Funct.Mater.2018,28,1803168)，盡管如此，現有的技術方案仍存在著以下幾個問題。首先，絕大部分的研究方案是直接將力致發光材料與彈性體復合在一起制成薄膜或纖維狀樣品，然后再利用熒光光譜儀或CCD相機在樣品表面的局部區域直接進行熒光的探測，如現已有的專利201610556644.8，201710478128.2，201811004066.2等，它們所公開的技術方案中樣品只有感知的功能，無法集傳導功能于一體，且絕大部分的傳感特性展示均依賴于實驗室商用熒光測量設備的離線測量，因此整個傳感系統的集成度低，極大限制了原位實時、在線監測、可穿戴等先進傳感功能的實現。其次，現有的技術方案多數是直接依靠商用光纖的端面在感知單元表面進行熒光的收集，但由于熒光本身具有無方向性且光纖端面收集角度有限，上述所示的熒光收集方式會造熒光收集效率低從而導致熒光測量存在較大誤差，此外，大多數力致發光材料本身的發光效率低且強度弱，這些問題也從本質上直接影響著熒光信號的探測。針對上述問題，理想的力致發光材料柔性應力應變傳感器不僅需要合理的結構設計以實現感知與傳輸一體化的功能，還需要可靠高效的熒光收集方式以達到準確定量測量的要求。

光纖傳感器，尤其是柔性光纖傳感器(如已有專利201811325073.2，201710595128.0等)，具有可拉伸彎曲、尺寸小易集成及抗電磁干擾等特點，可集感知與傳輸功能于一體，同時還可用于熒光的收集和傳輸。基于力致發光材料應變傳感存在的問題及柔性光纖傳感的優勢，將力致發光材料與彈性體復合設計成光纖結構對熒光進行軸向收集以最大程度地實現其傳感應用，這一方案既克服了傳統力致發光材料應變傳感方案的缺點，又結合了光纖傳感的優勢。但由于在傳統光纖上進行熒光軸向收集較為困難，結構設計和制備難度大，導致相關的研究報道很少，因此，研制一種簡單有效的力致發光材料與彈性體復合的柔性力致發光光纖是十分有意義的。同時，依托柔性力致發光光纖開發的可穿戴式大應變光纖傳感應用技術也十分具有現實意義。材料的器件化及光纖結構的引入使得力致發光材料的實際應用潛力巨大。

發明內容

本發明的目的是提供一種柔性力致發光光纖的制備方法，和一種基于柔性力致發光光纖的大應變光纖傳感應用裝置，可用于人體大運動實時監測、多路大應變測量、分布式測量以及植入式的應變監測等方面。

本發明的目的至少通過如下技術方案之一實現。