CN106067597B - 一种柔性可拉伸传感天线及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种柔性可拉伸传感天线及其制备方法。所述的柔性可拉伸传感天线，其特征在于，包括基体、辐射元和接地板，辐射元和接地板通过馈电线连接，其中，所述的辐射元和接地板为柔性纳米导电膜，所述的基体为弹性膜，辐射元和接地板分别粘合固定在基体的上侧和下侧。该传感天线结合了柔性纳米导电膜的轻薄以及弹性基体的高弹等优良特性，实现了天线的可拉伸传感性能，在军事国防、生物医疗与探测等重要领域有着广阔的应用前景。

Description

一种柔性可拉伸传感天线及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种柔性可拉伸传感天线，具有轻型、柔性、易共形等优点，在拉伸作用下天线结构发生变形，从而导致天线的工作频率发生变化，通过对天线频率的监测来感知天线的拉伸变形，实现天线的传感监测功能，在可穿戴电子产品领域以及星载、机载、弹载平台天线等对体积、空间和环境有严格要求的领域有着广阔的应用前景。
背景技术
碳纳米管是一种由极薄的一层碳原子卷起形成的圆柱形碳结构,当其手征矢量满足一定条件(3的整数倍)时，碳纳米管会表现出良好的导电性。近些年,碳纳米管以其特有的光电性能引起了很多研究者的兴趣,并在诸多领域都有着潜在应用。目前文献多采用碳纳米管的无序排列方式在柔性基体如胶片、布匹等介质上“打印”出相应的天线单元或阵列薄膜，但是由于该碳纳米管膜无序排列，导电性能不如气相沉积法制得的碳纳米管膜好，而且该天线弹性不够好，无法实现天线的传感功能。
柔性电子具有可折叠、厚度薄、重量轻、体积小、易共形和制造工艺简单等优点，柔性基体如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯、聚酯等高弹体体具有弹性好、耐腐蚀等优点，可以结合导电性优异的碳纳米管膜做成弹性复合膜，继而可以做成柔性可拉伸传感天线，它可以集成到纺织品和衣服可穿戴电子产品，在织物拉伸作用下天线结构发生变形，从而导致天线的工作频率发生变化，通过对天线频率的监测来感知织物的拉伸变形，实现天线的拉伸传感监测功能。因此柔性可拉伸传感天线在军事国防、生物医疗与探测等重要领域有着广阔的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是要设计并开发一种柔性可拉伸传感天线及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种柔性可拉伸传感天线，其特征在于，包括基体、辐射元和接地板，辐射元和接地板通过馈电线连接，其中，所述的辐射元和接地板为柔性纳米导电膜，所述的基体为弹性膜，辐射元和接地板分别粘合固定在基体的上侧和下侧。
本发明还提供了上述的柔性可拉伸传感天线的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1：将碳纳米管膜浸渍在石墨烯悬浮液中一段时间后，取出，在室温下自然晾干，得到柔性纳米导电膜；
步骤2：选用弹性膜作为基体，对其两端施加一定拉力，将其拉伸到一定伸长率后固定，在基体的上、下表面涂覆一层液体弹性粘合剂；
步骤3：将柔性纳米导电膜分别裁剪成辐射元以及接地板，将辐射元以及接地板分别通过所述的液体弹性粘合剂粘合在基体的上、下表面；
步骤4：在辐射元的上侧和接地板的下侧分别涂覆上起保护作用的树脂，在一定条件下使粘合剂和树脂固化；
步骤5：释放施加在基体上的拉力，使其带动辐射元以及接地板回缩，得到柔性可拉伸传感天线。
优选地，所述的弹性膜为PDMS膜、聚氨酯弹性膜或橡胶膜。
更优选地，所述的PDMS膜的介电常数在2.75-2.85，聚氨酯弹性膜的介电常数在4.0-7.5，橡胶膜的介电常数在3-4。
优选地，所述的弹性膜为方形，其长度方向沿着馈电线方向。
优选地，所述的液体弹性粘合剂为PDMS、聚氨酯或丙烯酸。
所述的基体的厚度将影响辐射元的尺寸大小，而基体的厚度可通过改变固化模具进行调节，因此天线具有很强的可设计性。
优选地，所述的碳纳米管膜由单壁或多壁碳纳米管制得，碳纳米管直径为10nm-50nm，膜厚度为10μm-50μm，拉伸强度为200MPa-500MPa，电导率为1.5*105s/m。
优选地，所述的石墨烯悬浮液的浓度为1mg/ml-50mg/ml，浸渍时间1-5h，浸渍1-3次，可根据需要设计选择。
优选地，所述的固化时间、温度、压力等条件由所选择的粘合剂决定。
优选地，所述的拉力的方向为辐射元的长度方向。
优选地，所述的伸长率为弹性膜的断裂伸长率的5～50％。
优选地，所述的伸长率为50％-100％。
优选地，所述的拉力的大小由弹性膜的材料决定。
本发明的天线结合了柔性纳米导电膜的轻薄以及弹性基体的高弹等优良特性，实现了天线的可拉伸传感性能。柔性纳米到导电膜在50％甚至更高的应变下(沿着弹性基体预拉伸方向)其导电率基本维持不变，大大提高了天线的阻抗匹配和辐射特性。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1.本发明所制得的柔性可拉伸传感天线结合了碳纳米管膜的轻薄以及弹性基体的高弹等优良特性，实现了天线的可拉伸传感性能，在可穿戴电子产品领域应用前景广阔。
2.采用柔性纳米导电膜作为导电贴片，经过石墨烯悬浮液处理后，电导率可达1.5*105s/m，其在50％甚至更高的应变下(沿着弹性基体预拉伸方向)其导电率基本维持不变，大大提高了天线的阻抗匹配和辐射特性。
3.柔性纳米导电膜不但轻薄、柔性好，还具有非常高的机械强度，且耐强酸、强碱，600℃以下高温不发生氧化，因此本发明制备的天线具有轻型、柔性、易共形等优点，特别适合应用于对体积、空间和环境有严格要求的载体，如星载、机载、弹载平台天线。
4.本发明使弹性附着基体在一定拉力下与纳米导电膜粘结复合，释放拉力后得到一种柔性可拉伸传感微带天线结构。在可穿戴电子产品领域以及星载、机载、弹载平台天线等对体积、空间和环境有严格要求的领域有着广阔的应用前景。
附图说明
图1为柔性可拉伸传感天线俯视图；
图2为柔性可拉伸传感天线正视图；
图3为实施例3中的柔性可拉伸传感微带阵列天线示意图；
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明中的伸长率是指试样伸长的长度与原来长度的百分比。
实施例1
如图1和图2所示，一种柔性可拉伸传感天线，包括基体3、辐射元1和接地板4，辐射元1和接地板4通过馈电线2连接，其中，所述的辐射元1和接地板4为柔性纳米导电膜，所述的基体3为弹性膜，辐射元1和接地板4分别粘合固定在基体3的上侧和下侧。所述的弹性膜为方形，其长度方向沿着馈电线方向。
所述的柔性可拉伸传感天线的制备方法为：
步骤1：将碳纳米管膜(中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所)浸渍在2mg/ml石墨烯悬浮液(纽美泰新材料有限公司)中3h，取出，在室温下自然晾干，得到柔性纳米导电膜；
步骤2：选择道康宁公司生产的SYLGARD 184型号的有机硅灌封胶(双组分液体)，A组分为PDMS溶液，B组分为固化剂，按照A：B为10:1的重量比进行充分混合，在100摄氏度烘箱中固化35分钟，形成PDMS弹性膜，厚度为0.5mm。将PDMS弹性膜作为基体，对其两端施加一定拉力，所述的拉力的方向为辐射元的长度方向，将其拉伸到50％的伸长率后固定，在基体的上、下表面涂覆一层液体弹性粘合剂，所述的液体弹性粘合剂选择道康宁公司生产的SYLGARD 184型号的有机硅灌封胶(双组分液体)，A组分为PDMS溶液，B组分为固化剂，按照A：B为10:1的比例进行充分混合得到；
步骤3：将柔性纳米导电膜分别裁剪成辐射元以及接地板，将辐射元以及接地板分别通过所述的液体弹性粘合剂压渍粘合在基体的上、下表面；
步骤4：在辐射元的上侧和接地板的下侧分别涂覆上起保护作用的树脂(选择道康宁公司生产的SYLGARD 184型号的有机硅灌封胶(双组分液体)，A组分为PDMS溶液，B组分为固化剂，按照A：B为10:1的比例进行充分混合得到)，在5兆帕的压力下置于100摄氏度的烘箱中放置35分钟，使粘合剂和树脂固化；
步骤5：释放施加在基体上的拉力，使其带动辐射元以及接地板回缩，得到柔性可拉伸传感天线，如图1所示。
所述的碳纳米管膜由多壁碳纳米管制得，碳纳米管直径为10-50nm，膜厚度为10-50μm，拉伸强度为200-500MPa，电导率为1.5*105s/m。本实施例所设计的天线工作频率为2.4GHz，基体为上述步骤2中所制作的PDMS膜，介电常数为2.8，厚度为0.5mm，所制作的辐射元的长L和宽W为37.2mm，基体(PDMS膜)为方形，长LG和宽WG为62mm，馈电线长度FL和宽度FD分别为18.6mm，1.3mm。
该天线在拉伸率为0-10％的过程中，其工作频率由2.4GHz减小至2.18GHz；如表1所示。本实施例天线可以集成到纺织品中，作为一种穿戴电子产品，在织物拉伸作用下天线结构发生变形，从而导致天线的工作频率发生变化，通过对天线频率的监测来感知织物的拉伸变形，实现天线的拉伸传感监测功能，在生物医疗与探测等重要领域有着广阔的应用前景。
表1PDMS基微带传感天线长度L方向拉伸应变与工作频率关系
实施例2：聚氨酯基微带传感天线
如图1和图2所示，一种柔性可拉伸传感天线，包括基体3、辐射元1和接地板4，辐射元1和接地板4通过馈电线2连接，其中，所述的辐射元1和接地板4为柔性纳米导电膜，所述的基体3为弹性膜，辐射元1和接地板4分别粘合固定在基体3的上侧和下侧。所述的弹性膜为方形，其长度方向沿着馈电线方向。
所述的柔性可拉伸传感天线的制备方法为：
步骤1：采用与实施例1相同的方法制备碳纳米管膜；
步骤2：通过水性聚氨酯树脂YM-261(由广东粤美化工有限公司提供)在60摄氏度固化12个小时得到聚氨酯弹性膜，其介电常数为5，厚度为0.4mm。
将聚氨酯弹性膜作为基体，对其两端施加一定拉力，所述的拉力的方向为辐射元的长度方向，将其拉伸到100％的伸长率后固定，在基体的上、下表面涂覆一层液体弹性粘合剂，所述的液体弹性粘合剂选择水性聚氨酯树脂YM-261；
步骤3：将柔性纳米导电膜分别裁剪成辐射元以及接地板，将辐射元以及接地板分别通过所述的液体弹性粘合剂压渍粘合在基体的上、下表面；
步骤4：在辐射元的上侧和接地板的下侧分别涂覆上起保护作用的树脂(水性聚氨酯树脂YM-261)，在5兆帕的压力下置于60摄氏度烘箱中12小时，使粘合剂和树脂固化；
步骤5：释放施加在基体上的拉力，使其带动辐射元以及接地板回缩，得到柔性可拉伸传感天线，如图1所示。
所述的碳纳米管膜由多壁碳纳米管制得，碳纳米管直径为10-50nm，膜厚度为10-50μm，拉伸强度为200-500MPa，电导率为1.5*105s/m。
本实施例所设计的天线工作频率为2.4GHz。本实施例所设计天线辐射单元的长L和宽W为27.9mm，基体为方形，长LG和宽WG为46mm，馈电线2长度FL和宽度FD分别为14.0mm，0.7mm。
该天线在拉伸率为0-10％的过程中，其工作频率由2.4GHz减小至2.18GHz；如表1所示。通过对工作频率变化与压缩距离的拟合即得到两者之间的对应关系，利用该对应关系可以通过监测无线信号的变化情况感知天线的受拉伸情况。由于本实施例天线具有轻型、柔性、易共形等优点，且耐强酸、强碱，600℃以下高温不发生氧化，因此，特别适合应用于对体积、空间和环境有严格要求的载体，如星载、机载、弹载平台天线。
表2聚氨酯基微带传感天线长度L方向拉伸应变与工作频率关系
实施例3：一种柔性可拉伸传感微带阵列天线
如图3所示，一种柔性可拉伸传感微带阵列天线，包括基体3、辐射元1和接地板4，辐射元1和接地板4通过馈电线2连接，其中，所述的辐射元1和接地板4为柔性纳米导电膜，所述的基体3为弹性膜，辐射元1和接地板4分别粘合固定在基体3的上侧和下侧。所述的弹性膜为方形，其长度方向沿着馈电线方向。
所述的柔性可拉伸传感微带阵列天线的制备方法为：
步骤1：将碳纳米管膜(中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所)浸渍在2mg/ml石墨烯悬浮液(纽美泰新材料有限公司)中3h，取出，在室温下自然晾干，得到柔性纳米导电膜；
步骤2：选择道康宁公司生产的SYLGARD 184型号的有机硅灌封胶(双组分液体)，A组分为PDMS溶液，B组分为固化剂，按照A：B为10:1的比例进行充分混合，在100摄氏度烘箱中固化35分钟，形成PDMS弹性膜，厚度为0.5mm。将PDMS弹性膜作为基体，对其两端施加一定拉力，所述的拉力的方向为天线的馈电线方向，将其拉伸到50％的伸长率后固定；
在基体的上、下表面涂覆一层液体弹性粘合剂，所述的液体弹性粘合剂选择道康宁公司生产的SYLGARD 184型号的有机硅灌封胶(双组分液体)，A组分为PDMS溶液，B组分为固化剂，按照A：B为10:1的重量比进行充分混合得到；
步骤3：将柔性纳米导电膜分别裁剪成两个辐射元、馈电线以及接地板，将辐射元、馈电线以及接地板分别通过所述的液体弹性粘合剂压渍粘合在基体的上、下表面，两个辐射元分别位于基体上表面的两端，接地板位于基体的下表面；
步骤4：在辐射元、馈电线的上侧和接地板的下侧分别涂覆上起保护作用的上述液体粘合剂(液体弹性粘合剂选择道康宁公司生产的SYLGARD 184型号的有机硅灌封胶(双组分液体)，A组分为PDMS溶液，B组分为固化剂，按照A：B为10:1的重量比进行充分混合得到；涂覆厚度为2mm)，置于100摄氏度的烘箱中放置35分钟，并施加5兆帕的压力下使柔性纳米导电膜与液体粘合剂粘合固定；
步骤5：释放施加在基体上的拉力，使其带动辐射元、馈电线以及接地板回缩，得到柔性可拉伸传感天线，如图2所示。
所述的碳纳米管膜由单壁碳纳米管制得，碳纳米管直径为10-50nm，膜厚度为10-50μm，拉伸强度为200-500MPa，电导率为1.5*105s/m。
本实施例所设计的天线工作频率为2.4GHz，基体为PDMS膜，介电常数为2.8，厚度为0.5mm；基体的长L1＝128mm，宽W1＝128mm，辐射元的长L2＝42mm，宽W2＝42mm，馈电线的第一部分的长L3＝18.5mm，宽W3＝1.5mm，馈电线的第二部分的长L4＝20mm，宽为W4＝4mm，馈电线的第三部分的长L5＝68mm，宽W5＝1.5mm，该天线在拉伸率为0-10％的过程中，其工作频率由2.4GHz减小至2.1GHz，通过对工作频率变化与压缩距离的拟合即得到两者之间的对应关系，利用该对应关系可以通过监测无线信号的变化情况感知天线的受拉伸情况。

Claims (8)

1.一种柔性可拉伸传感天线的制备方法，所述的柔性可拉伸传感天线，包括基体(3)、辐射元(1)和接地板(4)，辐射元(1)和接地板(4)通过馈电线(2)连接，其中，所述的辐射元(1)和接地板(4)为柔性纳米导电膜，所述的基体(3)为弹性膜，辐射元(1)和接地板(4)分别粘合固定在基体(3)的上侧和下侧，其特征在于，所述的制备方法包括：
步骤1：将碳纳米管膜浸渍在石墨烯悬浮液中1-5h后，取出，在室温下自然晾干，得到柔性纳米导电膜；
步骤2：选用弹性膜作为基体，对其两端施加拉力，将其拉伸到试样伸长的长度与原来长度的百分比为50％-100％后固定，在基体的上、下表面涂覆一层液体弹性粘合剂；
步骤3：将柔性纳米导电膜分别裁剪成辐射元以及接地板，将辐射元以及接地板分别通过所述的液体弹性粘合剂粘合在基体的上、下表面；
步骤4：在辐射元的上侧和接地板的下侧分别涂覆上起保护作用的树脂，使粘合剂和树脂固化；
步骤5：释放施加在基体上的拉力，使其带动辐射元以及接地板回缩，得到柔性可拉伸传感天线。
2.如权利要求1所述的柔性可拉伸传感天线的制备方法，其特征在于，所述的弹性膜为PDMS膜、聚氨酯弹性膜或橡胶膜。
3.如权利要求2所述的柔性可拉伸传感天线的制备方法，其特征在于，所述的PDMS膜的介电常数在2.75-2.85，聚氨酯弹性膜的介电常数在4.0-7.5，橡胶膜的介电常数在3-4。
4.如权利要求1所述的柔性可拉伸传感天线的制备方法，其特征在于，所述的弹性膜为方形，其长度方向沿着馈电线方向。
5.如权利要求1所述的柔性可拉伸传感天线的制备方法，其特征在于，所述的液体弹性粘合剂为PDMS、聚氨酯或丙烯酸。
6.如权利要求1所述的柔性可拉伸传感天线的制备方法，其特征在于，所述的碳纳米管膜由单壁或多壁碳纳米管制得，碳纳米管直径为10nm-50nm，膜厚度为10μm-50μm，拉伸强度为200MPa-500MPa，电导率为1.5*105s/m。
7.如权利要求1所述的柔性可拉伸传感天线的制备方法，其特征在于，所述的石墨烯悬浮液的浓度为1mg/ml-50mg/ml，浸渍1-3次。
8.如权利要求1所述的柔性可拉伸传感天线的制备方法，其特征在于，所述的拉力的方向为辐射元的长度方向。
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