[發明專利]一種各向異性導熱的柔性壓電傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 202110562500.4
• 申請日: 2021-05-24
• 公開（公告）號: CN113337000B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發明（設計）人: 陳小明;王春江;宋啟航;徐超凡;邵金友;米翔宇;田洪淼;侯國珍
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: C08J9/36
• 分類號: C08J9/36;C23C14/34;C23C14/24;C23C14/20;G01D5/12;C08L75/04;C08L29/04;C08L83/04;C08K3/38;C08K3/30
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 弋才富

一種各向異性導熱的柔性壓電傳感器及其制備方法，傳感器整體為三明治結構，從上至下分別是定向導熱封裝層、電極層，導熱壓電骨架層、電極層和定向導熱封裝層，具備沿設計方向自生長的特點，其內部包含的二維壓電材料BNNS或MoS₂納米片在聚合物基體聚氨酯、聚乙烯醇或聚二甲基硅氧烷中沿相同方向排列，排列方向與定向導熱方向垂直；制備方法包括：(1)二維壓電材料的剝離與制備；(2)導熱壓電骨架層溫度梯度排列成型；(3)空間結構化排列壓電器件的制備；(4)各向異性導熱的柔性壓電傳感器制作；本發明優點在于：具有更高的力學性能、熱學性能以及電學性能，相較于傳統方法制備的柔性壓電傳感器，更適合應用于智能可穿戴電子設備。

技術領域

本發明適用于微納米復合材料制備及壓電傳感器制備技術領域，特別涉及一種各向異性導熱的柔性壓電傳感器及其制備方法。

背景技術

隨著電子技術的不斷發展，傳統硅基電子器件(硅基芯片、硅基傳感器等)已發展到摩爾定律所描述的物理極限，短時間內很難再有大的技術突破。同時，由于其韌性低、易脆斷等本征屬性的限制，使得傳統硅基傳感器遠不能滿足日益興起的可穿戴電子設備對可拉伸性、覆形能力等要求。因此，柔性傳感器逐漸成為近年來傳感器研究熱點領域之一。市面上常見的柔性傳感器有應變片壓阻式、摩擦電式、壓電式等多種形式。應變片壓阻式柔性傳感器結構簡單，但受環境影響較大，且需要外接電源才能進行傳感工作，不易攜帶；摩擦電式傳感器靈敏度高，但信噪比較低，且精度不能滿足可穿戴電子設備的要求。而壓電式傳感器以其無源、自發電、能量回收方式簡單等優勢，可以制作出傳感-俘能-儲能一體化的功能集成式傳感器，成為構建交互式人機系統、物聯網遠端傳感節點、智能可穿戴電子設備反饋前端的最佳選擇。

柔性可穿戴式壓電傳感器為滿足環境友好性、人體肌膚相容性等要求，常采用環氧樹脂(Epoxy)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(TPU)、硅橡膠等有機高分子材料進行封裝。但由于穿戴式設備多發生拉伸、彎曲形變，在傳感器內部會產生大量熱量，再加之上述封裝材料導熱性能較差，不同壓電材料的導熱性能也參差不齊，熱量的累積不僅會使得傳感器的精度、靈敏度降低，使用壽命縮短，更會灼傷人體皮膚，危害極大。

因此，如何解決傳感器的熱積累效應，使其能在大量形變的同時保持一個相對穩定的溫度，成為了柔性傳感器能否被大量應用于實際生產生活的關鍵性科學問題。從導熱原理上入手，有如下兩種優化方法：

其一，提高聚合物基功能復合材料本身導熱率(本征形導熱優化)。如上所述，不同壓電功能材料本身的導熱性質各不相同。鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等壓電陶瓷雖然壓電性能優異但導熱率較低。而近來研究發現的新興二維壓電材料氮化硼納米片(BNNS),又被稱為“白色石墨”，導熱性能良好，被廣泛用于傳感器的導熱性能優化。例如，青島大學副教授孫彬等人公開了一種基于TPU、TPU-BNNS薄膜、TPU纖維膜三種薄膜緊密貼合的應變片壓阻式柔性傳感器的制備方法，使傳感器的熱導率提升到2.9×10⁴W·m^-2·K^-1。封裝材料通過適當的添加高導熱率材料或者改變其聚合物的鏈結構、提高結晶度、減少材料內部卻像等方式也能改善導熱性能。例如，香港理工大學蔡忠龍等通過超拉伸聚乙烯，改變了分子鏈結構形成針狀晶體—晶橋結構，導熱系數提高到29.1W·m^-1·K^-1。

其二，結構化設計導熱通路(填充形狀導熱優化)。通過在傳感器中設計制備出散熱肋等高比表面積結構，提高熱流在傳感器中的傳遞速度，從而達到加速傳感器散熱，提升導熱率的目的。例如，浙江大學的韓敬愷與其團隊利用雙向凍結技術構造了一種具有納米模擬三維導電網絡的BNNS/環氧樹脂復合材料，在相對較低的BNNS含量下(15％wt)產生了更高的導熱率(6.07W·m^-1·K^-1)。浙江大學柏浩及其團隊采用改進的雙向凍結方法，制備了一種具有微納米散熱肋片結構的rGO/PVA復合薄膜，在極大提升材料導熱率的同時，還具備高度可拉伸性和良好的韌性。