CN107833656A - 一种可拉伸柔性功能导体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可拉伸柔性功能导体。该可拉伸柔性功能导体，包括中空弹性纤维和液态金属；所述中空弹性纤维为弹性纤维，作为导体外壳，内部为中空的圆形流道；所述液态金属作为导体的导电媒介，灌封在中空弹性纤维的圆形流道内，成分为液态金属镓，及其共熔铟、锡的液态合金。本发明的可拉伸柔性功能导体具有灵敏的电阻‑形变响应特性，导体在0‑140%拉伸形变下的电阻变化可被明显检测到，且在0.1 V即具有电阻响应特性，使其在人体肢体运动检测具有重要的应用前景。

Description

一种可拉伸柔性功能导体
技术领域
本发明涉及电阻传感材料领域，具体涉及一种功能柔性导体。
背景技术
具有电阻-形变响应的导体在力敏传感领域具有重要的应用前景，尤其是在人类运动监测、柔性机器人、假肢和智能衣服等。传统的导体主要是由刚性填料和柔性聚合物基体共混制备而成，这类导体的缺点在于导电填料的杨氏模量（105-107 Pa）高于基体杨氏模量约5-6 数量级，导致导体在形变过程中刚性填料网络形变发生滞后，极大降低导体的电阻形变响应能力。而液态金属在常温下处于流动状态，具有高电导率、低模量，与柔性基体具有良好的机械性能匹配。然而，限制液态金属应用于可拉伸导体的技术瓶颈是其与柔性基体复合的相容性差，其在基体中容易发生溢出致使电导失效。
因此，设计及制备安全稳定同时具备电阻-形变响应特性的高柔性、高拉伸、低驱动电压的导体具有重要应用前景。
综上所述，基于目前可拉伸力敏电阻传感导体的研究现状及其巨大的应用前景，采用管状圆形结构的流道纤维，使用高电导率、高流动性的液态金属作为导体填料，制备具有灵敏度高、高拉伸、良好生物相容的力敏电阻响应性导体，具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种可拉伸柔性功能导体。该导体具有可拉伸、高柔性、高电导以及电阻-形变响应特性，在外力拉伸过程中，导体的电阻随导体的伸长表现出规律性变化，如图1所示。
本发明的目的通过如下技术方案实现。
一种可拉伸柔性功能导体，包括中空弹性纤维和液态金属；
所述中空弹性纤维为弹性纤维，作为导体外壳，内部为中空的圆形流道，如图2所示；
所述液态金属作为导体的导电媒介，注入中空弹性纤维的圆形流道内，至填满整个流道。
进一步地，所述中空弹性纤维的材料包括硅橡胶纤维或聚氨酯纤维，圆形流道内径为纳米、毫米级别，长度根据实际需要设计成任意长度。
进一步地，所述中空弹性纤维的内部包含至少一条圆形流道，包括单流道的中空弹性纤维或双流道的中空弹性纤维，适应于不同应用过程的需要。
进一步地，所述液态金属为常温下液态的共熔合金，包括镓、铟和锡中的一种或一种以上的共熔合金。
优选的，所述液态金属为镓，单金属镓具有无毒、流动性良好的特点，以金属镓作为导电媒介的可拉伸柔性功能导体可用于生物体内作为神经纤维或力敏传感。
进一步地，所述可拉伸柔性功能导体具有可拉伸性以及电阻-形变效应，在外力拉伸过程中，导体的电阻与圆形流道的直径变化程度有关。
在外力拉伸过程中，随着圆形流道的逐渐变窄，导体的电阻逐渐变大，导体的电阻变化通过导体两端的电极输出。
进一步地，所述可拉伸柔性功能导体在0-140%拉伸形变下的电阻变化能被明显检测到。
基于所述可拉伸柔性功能导体在外力拉伸过程中的电阻-形变响应特性，力敏传感特性明显，可用于制备力敏拉伸传感器。
进一步地，所述可拉伸柔性功能导体具有低的驱动电压，在电压0.1 V下即具有电阻-形变响应特性。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
（1）本发明的可拉伸柔性功能导体具有电阻-形变响应特性，导体在0-140%拉伸形变下的电阻变化可被明显检测到，在制备力敏拉伸传感器中具有广阔应用前景。
（2）本发明的可拉伸柔性功能导体的中空弹性纤维的内部包含至少一条圆形流道，包括单流道或双流道，能适应于不同应用过程的需要。
（3）本发明的可拉伸柔性功能导体中的液态金属及其合金具有优异的导电特性，赋予导体极低的驱动电压，在电压0.1 V下即具有电阻响应特性。
附图说明
图1为可拉伸柔性功能导体的相对电阻-形变曲线图；
图2为本发明可拉伸柔性功能导体的圆形流道结构示意图；
图3为实施例1制备的可拉伸柔性功能导体在不同拉伸率下的响应幅值；
图4为实施例2制备的可拉伸柔性功能导体应用于人体头部运动检测；
图5为实施例3制备的可拉伸柔性功能导体应用于人体手腕运动检测。
具体实施方式
以下结合具体实施例及附图对本发明技术方案作进一步详细描述，但本发明不限于此。
本发明具体实施例，可拉伸柔性功能导体的圆形流道结构示意图如图2所示，包括中空弹性纤维和液态金属；
中空弹性纤维为弹性纤维，作为导体外壳，内部为中空的圆形流道；中空弹性纤维的材料包括硅橡胶纤维或聚氨酯纤维，圆形流道内径为纳米、微米级别；中空弹性纤维的内部包含至少一条圆形流道；
液态金属作为导体的导电媒介，注入中空弹性纤维的圆形流道内，至填满整个流道；液态金属为常温下液态的共熔合金，包括镓、铟和锡中的一种或一种以上的共熔合金。
实施例1
一种可拉伸柔性功能导体，如下：
由硅橡胶制备的单流道液态金属纤维内径为700 微米和纤维长度为40毫米。
先将液态镓铟共熔合金（镓：铟=3:2，g/g）注入流道中，两端接入电极并用环氧树脂灌封。
制备的导体电阻约0.35Ω，单流道液体金属导体可以直接拉伸，由于硅橡胶具有良好的弹性，在拉伸-回复过程中，导体电阻具有响应变化，如图3所示。当直接用手拉伸导体时，在不同的拉伸幅度，相对电阻电阻的值大小也不同，且电阻在导体回复的过程中回复到相应的大小。结果表明；液态金属流道具有明显的电阻-形变响应特性。基于此结果，可以根据实际产品需要，制备力敏电阻传感器。
实施例2
采用聚氨酯制备的双圆形流道结构的液态金属导体，流道内径为1毫米，长度为40毫米，先将液态镓铟共熔合金（镓：铟：锡=3:1:1，g/g/g）注入流道中，两端接入电极并用环氧树脂灌封。
制备的导体电阻约0.20Ω，双流道结构具有良好的电阻拉伸回复特性，使其在高灵敏、高精度的肢体运动监测具有重要的应用前景。如图4所示，将其用于检测人体颈部运动时，人体头部转动90度再回复，可以清楚地观察到导体的相对电阻变化随头部转动而增加，头部回复时相对电阻又回复初始状态。因此，双流道液态金属柔性功能具有明显的电阻形变-回复响应特性，无滞后效应。基于此结果，可以根据实际产品需要，制备力敏电阻传感器。
实施例3
采用内径为200纳米，壁厚为100纳米，长度为40毫米的超细圆形中空流道结构的硅橡胶纤维，注入无毒安全的液态金属镓，两端接入电极并用硅橡胶灌封，制备功能柔性纤维。
导体电阻率低至2.16×10-6 Ω·m，达到同级别金、银金属的电导率。因此，当施加0.1 V的极低电压时就有响应特性，该电压可以有效确保人体的生命安全（超过36 V的电压才对人体产生危害），使其在可植入人体及其人造神经纤维具有重要的应用前景。图5为该导体作为人体运动检测传感器，用于检测手腕在不同的弯曲角度下的电阻响应情况，施加检测电压为0.1 V。图四结果表明，本发明制备的柔性功能导体，可以在极低的电压为0.1 V下，可以有效检测手腕在低角度下的弯曲（5度），同时高角度下弯曲（90度）也有同样的响应。导体的电阻响应大小程度随被检测的肢体运动幅度正相关。
以上为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，所述作出的改进和替换等，均将落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种可拉伸柔性功能导体，其特征在于，包括中空弹性纤维和液态金属；
所述中空弹性纤维为弹性纤维，作为导体外壳，内部为中空的圆形流道；
所述液态金属作为导体的导电媒介，注入中空弹性纤维的圆形流道内，至填满整个流道。
2.根据权利要求1所述的一种可拉伸柔性功能导体，其特征在于，所述中空弹性纤维的材料包括硅橡胶纤维或聚氨酯纤维，圆形流道内径为纳米、微米级别。
3.根据权利要求1所述的一种可拉伸柔性功能导体，其特征在于，所述中空弹性纤维的内部包含至少一条圆形流道。
4.根据权利要求1所述的一种可拉伸柔性功能导体，其特征在于，所述液态金属为常温下液态的共熔合金，包括镓、铟和锡中的一种或一种以上的共熔合金。
5.根据权利要求1所述的一种可拉伸柔性功能导体，其特征在于，所述液态金属为镓，及与铟、锡的任意比例熔液共态合金。
6.根据权利要求1所述的一种可拉伸柔性功能导体，其特征在于，所述可拉伸柔性功能导体具有可拉伸性以及电阻-形变响应特性，在外力拉伸过程中，随着圆形流道的逐渐变窄，导体的电阻逐渐变大，导体的电阻变化通过导体两端的电极输出。
7.根据权利要求1所述的一种可拉伸柔性功能导体，其特征在于，导体在0-140%拉伸形变下的电阻变化能被明显检测到。
8.根据权利要求1所述的一种可拉伸柔性功能导体，其特征在于，具有低的驱动电压，在电压0.1 V下即具有电阻-形变响应特性。
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