[發明專利]一種五模超材料、柔性剪應力傳感器及其制備方法、應用

有效

• 申請號: 202211568280.7
• 申請日: 2022-12-08
• 公開（公告）號: CN115585913B
• 公開（公告）日: 2023-09-12
• 發明（設計）人: 付浩然;梁冠文;邊學成;萬章博;張浩宇;蔣建群;張毅
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01L1/16
• 分類號: G01L1/16;G01L5/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

本發明公開了一種五模超材料、柔性剪應力傳感器及其制備方法、應用，五模超材料由若干晶胞組成，每一晶胞由若干個微結構單元從底端邊緣通過微結構單元間的公共桿或公共接觸面向頂邊的對邊依次排布而成，使其極限強度范圍內具備抗壓不抗剪的特性；所述柔性薄膜剪應力傳感器包括自上而下設置的上保護層、第一柔性電極、五模超材料薄塊、第二柔性電極、下保護層；五模超材料薄塊為上述五模超材料；五模超材料薄塊、第一柔性電極和第二柔性電極間設有液體電解質，在受壓時，第一柔性電極和第二柔性電極間的正對面積發生改變，使得輸出的電信號發生變化，標定后可確定剪應力的大小。特別地，柔性剪應力傳感器可以在超重力環境下測量剪應力。

技術領域

本發明屬于柔性電子技術領域，尤其涉及一種五模超材料、柔性剪應力傳感器及其制備方法、應用。

背景技術

剪應力是應力的一種，受力的方向與受力面的法向正交，目前市場上僅存的的剪應力傳感器均以彈性元件的形變反映剪應力的實際情況，但因其體積較大、精度較低、僅能夠在常重力場景下使用，其應用場景狹隘問題成為剪應力測量中的詬病，同時現有的剪應力傳感器通常使用拉力或壓力傳感器進行間接測量得到剪應力，無法直接得到剪應力。同時當前市面上常見的商用剪力傳感器無法將軸向力與剪應力理想化進行有效解耦，進而導致剪應力測量結果與實際受力情況相比產生較大偏差。部分剪應力傳感器應用場景狹隘，例如電容式邊界層剪應力傳感器和壁面剪切應力傳感器僅能在流體中使用、水泥基壓電復合剪應力傳感器僅適用于大體量大位移場景中的剪力監測、應變花剪應力傳感器是將應變片測得的應力數值在理論上通過數學關系轉化為剪應力，其共同的特點是使用場景單一，不具備普適性，同時測量得到的剪應力數值與實際剪應力數值相比存在較大誤差。并且，在超重力環境下常見的傳感器敏感元件會受到損害，導致現有的剪應力傳感器無法在超重力的環境下使用。

發明內容

針對現有技術不足，本發明提出了一種五模超材料、柔性剪應力傳感器及其制備方法、應用。

為實現上述技術目的，本發明的的技術方案為：本發明實施例的第一方面提供了一種五模超材料，所述五模超材料由若干晶胞組成，每一晶胞為一直四棱柱，每一晶胞由若干個微結構單元從底端邊緣通過微結構單元間的公共桿或公共接觸面向頂邊的對邊依次排布而成，使得五模超材料具備抗壓不抗剪的特性。

本發明實施例的第二方面提供了一種五模超材料的制備方法，所述五模超材料采用聚合物3D打印技術-立體光刻技術、激光直接書寫技術或模具澆筑法制備得到。

本發明實施例的第三方面提供了一種基于五模超材料的柔性薄膜剪應力傳感器，包括自上而下設置的上保護層、第一柔性電極、五模超材料薄塊、第二柔性電極、下保護層；其中，五模超材料薄塊為上述的五模超材料；五模超材料薄塊、第一柔性電極和第二柔性電極間設有液體電解質，第一柔性電極或第二柔性電極與五模超材料薄塊之間的連線具有夾角，用于在五模超材料薄塊受到壓力時，液體電解質使得第一柔性電極和第二柔性電極間的正對面積發生改變，通過兩極板之間正對面積確定剪應力的大小。

本發明實施例的第四方面提供了一種基于五模超材料的柔性薄膜剪應力傳感器的制備方法，所述制備方法具體包括以下步驟：

S1，在上保護層和下保護層的外表面涂有一層柔性耐溫涂層；在上保護層和下保護層的內表面涂有一層聚對苯二甲酸乙二醇脂，以防止上保護層和下保護層氧化；

S2，基于碳基、柔性電極材料和納米金屬材料進行復合制備第一柔性電極和第二柔性電極；

S3，將步驟S2制備得到的第一柔性電極、第二柔性電極通過阻尼支座與五模超材料薄塊的8個頂點相連；

S4，將液體電解質進行液體封裝，注入至第一柔性電極和第二柔性電極間，以包裹五模超材料薄塊。

本發明實施例的第吳方面提供了一種基于五模超材料的柔性薄膜剪應力傳感器在超重力環境下測量剪應力的應用。