CN108227329A - 一种应力显色器件及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应力显色器件及其应用。所述应力显色器件自上而下依次包括上透明电极层、变色层、电解质层、透明电极保护层和下透明电极层；所述变色层为电致变色材料层，且在外力作用下发生形变；所述上透明电极层和下透明电极层之间连接外电路，用以提供外电压，所述外电压低于使变色层发生变色的阈值电压。本发明的器件能够在较小的力作用下发生变色，且仅需简单操作即可使变色材料恢复到初始状态，可应用于应力分布传感器或冲量分布传感器。

Description

一种应力显色器件及其应用
技术领域
本发明涉及力致变色领域，尤其涉及一种应力显色器件及其应用。
背景技术
力致变色材料是一种对外界力刺激具有明显光学信号响应的智能材料，且力诱导光学信号的变化常常是可逆的，在一些其他刺激方式下可以恢复到初始状态。由于光学信号的变化很容易用裸眼定性观察或用仪器进行定量检测，因此力致变色材料在应力传感、防伪、无墨书写等方面有着重要的应用前景，近年来受到越来越多的关注。但是力致变色材料的发展相对较晚，到目前为止，力致变色材料的种类仍然有限，且其实际应用也只停留在一些概念产品的展示上，远不能满足实际应用的要求。因此，发展新型力致变色材料和拓展实际应用范围是目前力致变色材料领域的研究重点。
目前力致变色的研究多数集中在有机力致变色材料上，其力致变色机制主要集中在以下三个方面：(1)力改变分子间相互作用(如π-π相互作用、氢键相互作用、金属-金属相互作用等)；(2)力改变分子内的构象(如力诱导分子平面化等)；(3)力诱导分子发生局部的化学反应(如弱共价键异裂等)。但是基于这三种机制使材料发生变色的力往往很大，通常在GPa数量级，而且材料在较大的应力作用下发生变色后，通常需要通过机械研磨、加热或溶剂熏蒸处理等复杂的工艺才能恢复到初始状态，因此大大限制了其实际应用。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，克服现有技术中的缺点和不足，提供一种应力显色器件，其能够在较小的力作用下发生变色，且仅需简单操作即可使变色材料恢复到初始状态。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种应力显色器件，自上而下依次包括上透明电极层、变色层、电解质层、透明电极保护层和下透明电极层；所述变色层为电致变色材料层，且在外力作用下发生形变；所述上透明电极层和下透明电极层之间连接外电路，用以提供外电压，所述外电压低于使变色层发生变色的阈值电压。
本发明的工作原理为：在工作电压低于阈值的情况下，无外力作用时，电解质层中的离子不能注入变色层，变色层不发生变色；当施加外力时，变色层发生形变，其厚度变薄，引起变色层所处电场的增强，使得电解质层的离子注入变色层，引起变色层发生颜色的改变；当撤去外力和外电压后，变色层的颜色改变量可被保持下来。
相对于现有技术，本发明的力致变色层采用受压可形变的电致变色材料，使材料变色的阈值力大大减小，且通过显色的深浅度可直观记录应力的大小；在合适的反向工作电压下可擦除材料的着色状态，操作简单且可重复使用。
进一步地，所述阈值电压为0.01～1V。变色层存在阈值电压，当器件的工作电压低于阈值电压时，变色层不发生变色，当器件的工作电压超过阈值电压，变色层发生变色。相比于传统的力致变色材料，利用受压可形变的电致变色材料存在阈值电压实现力致变色现象，器件的灵敏度高，显色的阈值力小。
进一步地，所述变色层为纳米结构薄膜。纳米结构薄膜可以是纳米花、纳米线或纳米柱结构所组成的疏松结构薄膜，变色材料可以是无机变色材料或有机变色材料，优选氧化钨、氧化钛、氧化钒或其它可电致变色的金属氧化物。
进一步地，所述电解质层为半固态电解质层或全固态电解质层。
进一步地，所述电解质层的厚度为100nm～1mm。
进一步地，所述上透明电极层和下透明电极层为透明导电氧化物薄膜、碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜或银纳米线薄膜。
进一步地，所述应力显色器件还包括粘结剂，所述粘结剂设于上透明电极层和下透明电极层之间的相对空隙中，以实现封装。
本发明还提供了一种应力显色器件的控制方法，包括以下步骤：
S1：在应力显色器件的上透明电极层和下透明电极层之间施加外电压，使之低于变色层的阈值电压，此时变色层不变色，器件处于透明状态；
S2：在应力显色器件的表面施加外力，使变色层在外力作用下厚度减小，导致变色层所处的电场增大，上透明电极层和下透明电极层之间的电压高于变色层的阈值电压，引起电解质层的离子注入变色层，此时变色层发生颜色的改变，器件处于着色状态；
S3：撤去外力，此时器件保持着色状态，记录变色层的颜色改变量；
S4：在应力显色器件的上透明电极层和下透明电极层之间施加反向外电压，此时器件的着色状态被擦除，以重复使用。
相对于现有技术，本发明使变色层发生显色的阈值力较小，且通过显色的深浅度可直观记录应力的大小；在撤去外力后，器件的着色状态可被保持和记录下来；在合适的反向工作电压下可擦除着色状态，具有操作简单且可重复使用的特点。
进一步地，保持施加外力的作用时间恒定，变化施加外力的大小，使器件发生不同程度的颜色变化，建立器件颜色的深浅度与施加外力大小之间的对应关系。从而通过器件所保持的颜色与应力比色卡进行比对，可得知外加应力作用的大小。
本发明还提供了一种压力分布传感器，包括至少一个本发明所述的应力显色器件和信号提取模块，所述信号提取模块与应力显色器件电连接。
相对于现有技术，本发明的应力显色器件可应用于应力分布传感器或冲量分布传感器，提供有效、直观的应力或冲量分布情况。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为实施例1的应力显色器件的结构示意图。
图2为实施例1的应力显色器件的工作原理示意图。
图3为实施例2的应力分布传感器的结构及测量效果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
请参阅图1，其为本实施例的应力显色器件的结构示意图。所述应力显色器件自上而下依次包括上透明电极层1、变色层2、电解质层3、透明电极保护层4和下透明电极层5。
所述变色层2由电致变色材料组成，且在外力作用下发生形变。具体的，变色层2在外力作用下厚度可发生改变，在撤去外力后厚度可恢复原始状态。优选的，变色层2可以为由纳米花、纳米线或纳米柱结构所组成的疏松结构薄膜，可以是无机变色材料或有机变色材料。
所述上透明电极层1和下透明电极层5之间的相对空隙中使用粘结剂6进行封装，且所述上透明电极层1和下透明电极层5之间连接外电路7，用以提供外电压，所述外电压低于使变色层2发生变色的阈值电压。使变色层2发生变色的阈值电压为0.01～1V，当器件的工作电压低于阈值电压时，变色层2不发生变色，当器件的工作电压超过阈值电压，变色层2发生变色。优选的，所述上透明电极层1和下透明电极层5为透明导电氧化物薄膜、碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜或银纳米线薄膜。
所述电解质层中的电解质为半固态电解质或全固态电解质，厚度为100nm～1mm。
本实施例还提供一种应力显色器件的控制方法，包括以下步骤：
(1)在应力显色器件的上透明电极层1和下透明电极层5之间施加外电压，使之低于变色层2的阈值电压，此时变色层2不变色，器件处于透明状态。
(2)在应力显色器件的表面施加外力，使变色层2在外力作用下厚度减小，导致变色层所处的电场增大，上透明电极层1和下透明电极层5之间的电压高于变色层2的阈值电压，引起电解质层3的离子注入变色层2，此时变色层2发生颜色的改变，器件处于着色状态。
(3)撤去外力，此时器件保持着色状态，记录变色层2的颜色改变量。
(4)在应力显色器件的上透明电极层1和下透明电极层5之间施加反向外电压，此时器件的着色状态被擦除，以重复使用。
本实施例的应力显色器件，可以有两种工作模式：1)限定施加外力的作用时间t为定值，此时器件颜色的变化深浅度与器件表面所施加外力F大小呈对应关系；2)不限定施加外力的作用时间t为定值，此时器件颜色的变化深浅度与器件表面所施加冲量Ft大小呈对应关系。优选的，选用脉冲电压为所述应力显色器件供电，保持施加外力的作用时间t恒定，建立器件颜色的变化深浅度与器件表面所施加外力大小之间的对应关系。
请参阅图2，其为实施例1的应力显色器件的工作原理示意图，工作模式为限定施加外力的作用时间t为定值，变化施加外力的大小。在该工作模式下，外电路导通时，电源将发出一个作用时间t为定值的脉冲电压U，使得器件的两电极层之间的电压略低于器件变色的阀值电压，此时，应力显色器件表面没有受到外力作用，变色层不变色，器件仍处于透明态；若在脉冲电压作用时间内，应力显色器件表面受到外加的应力F，由于变色层在应力作用下发生形变，其厚度减小，由原来的d0变为df(df<d0)，从而变色层间的电容变大，充入变色层的电荷量将增大，导致变色层所处的电场增大，两电极层之间的电压高于阀值电压，引起电解质层的离子注入变色层，令变色层发生了颜色的改变。
当撤去外力和外电压后，变色层的颜色改变量可被保持下来，而且应力的大小与颜色的深浅程度成正比关系。通过器件所保持的颜色与压力比色卡进行比对，可得知外加应力作用的大小，由图2可见，在小于1N的外力下，器件即可发生变色。在下一次测量之前，只需要给予器件合适的反向工作电压，即可擦除材料的着色状态，操作简单且可重复使用。
实施例2
本发明的应力显色器件可应用于应力分布传感器或冲量分布传感器。将一个或多个应力显色器件组装成阵列结构，与外电路和信号提取模块互相实现电连接，根据工作模式的不同可以构成应力分布传感器或冲量分布传感器。
请参阅图3，其为本实施例的应力分布传感器的结构及测量效果示意图。所述应力分布传感器包括多个变色单元A，每个变色单元具有同一大小的两透明电极层、透明电极保护层、电解质层和变色层；所述多个变色单元组装成阵列结构，与外电路和信号提取模块B互相实现电连接，从而构成应力分布传感器。
应力分布传感器中的变色单元处于限定施加外力的作用时间t为定值的工作模式中，若此时使用者将手放置在应力分布传感器表面，由于每个变色单元具有实施例1所描述的应力检测性能，则可通过信号提取模块提取每一个变色单元在手掌压力作用下着色态的透光率情况，并将其提取至使用者的电脑或远程终端上，形成手掌压力分布图(如图3右图所示)。通过对手掌压力分布图上的颜色深浅或不同颜色梯度来识别手掌压力在不同区域上的分布情况，能够为用户有效、直观地提供压力分布情况。
相对于现有技术，本发明的力致变色层采用受压可形变的电致变色材料，相比于传统的力致变色材料，使材料变色的阈值力大大减小，且通过显色的深浅度可直观记录应力的大小；在撤去外力后，器件的着色状态可被保持和记录下来，在合适的反向工作电压下可擦除着色状态，操作简单且可重复使用；本发明的应力显色器件可应用于应力分布传感器或冲量分布传感器，提供有效、直观的应力或冲量分布情况。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种应力显色器件，其特征在于：自上而下依次包括上透明电极层、变色层、电解质层、透明电极保护层和下透明电极层；所述变色层为电致变色材料层，且在外力作用下发生形变；所述上透明电极层和下透明电极层之间连接外电路，用以提供外电压，所述外电压低于使变色层发生变色的阈值电压。
2.根据权利要求1所述的应力显色器件，其特征在于：所述阈值电压为0.01～1V。
3.根据权利要求1所述的应力显色器件，其特征在于：所述变色层为纳米结构薄膜。
4.根据权利要求1所述的应力显色器件，其特征在于：所述电解质层为半固态电解质层或全固态电解质层。
5.根据权利要求1所述的应力显色器件，其特征在于：所述电解质层的厚度为100nm～1mm。
6.根据权利要求1所述的应力显色器件，其特征在于：所述上透明电极层和下透明电极层为透明导电氧化物薄膜、碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜或银纳米线薄膜。
7.根据权利要求1所述的应力显色器件，其特征在于：所述应力显色器件还包括粘结剂，所述粘结剂设于上透明电极层和下透明电极层之间的相对空隙中，以实现封装。
8.一种应力显色器件的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：在应力显色器件的上透明电极层和下透明电极层之间施加外电压，使之低于变色层的阈值电压，此时变色层不变色，器件处于透明状态；
S2：在应力显色器件的表面施加外力，使变色层在外力作用下厚度减小，导致变色层所处的电场增大，上透明电极层和下透明电极层之间的电压高于变色层的阈值电压，引起电解质层的离子注入变色层，此时变色层发生颜色的改变，器件处于着色状态；
S3：撤去外力，此时器件保持着色状态，记录变色层的颜色改变量；
S4：在应力显色器件的上透明电极层和下透明电极层之间施加反向外电压，此时器件的着色状态被擦除，以重复使用。
9.权利要求8所述的应力显色器件的控制方法，其特征在于：保持施加外力的作用时间恒定，变化施加外力的大小，使器件发生不同程度的颜色变化，建立器件颜色的深浅度与施加外力大小之间的对应关系。
10.一种应力分布传感器，其特征在于：包括至少一个权利要求1～7任一所述的应力显色器件和信号提取模块，所述信号提取模块与应力显色器件电连接。
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