CN108871219A

CN108871219A - 应变传感材料、制备方法及应变传感系统

Info

Publication number: CN108871219A
Application number: CN201710342875.3A
Authority: CN
Inventors: 杨亚; 翟庆彬
Original assignee: Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems
Current assignee: Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems
Priority date: 2017-05-16
Filing date: 2017-05-16
Publication date: 2018-11-23
Anticipated expiration: 2037-05-16
Also published as: CN108871219B

Abstract

本发明提供了一种应变传感材料，包括：弹性透明基体；以及无机纳米颗粒，掺杂于所述弹性透明基体中，该无机纳米颗粒采用挡光材料形成；其中，所述应变传感材料在不同应力作用下具有不同的透光率。本发明还提供了一种应变传感材料的制备方法及应变传感系统。本发明提供的应变传感材料、制备方法及应变传感系统，利用形变前后透光率变化实现了传感器对物体应变的稳定、实时检测；结构简单、灵敏度高、抗电磁波干扰、体积小、成本低、制作工艺简单、可进行实时监测，有效解决了现有应变传感材料的制作工艺复杂、抗干扰性差等问题。

Description

应变传感材料、制备方法及应变传感系统

技术领域

本发明涉及传感技术领域，尤其涉及一种应变传感材料、制备方法及应变传感系统。

背景技术

近年来，智能可穿戴设备如雨后春笋般快速发展，逐渐受到各界人士的重视。在众多的器件特性中，强拉伸、抗干扰及其重复稳定性成为可拉伸传感器发展的主要方向。如鲍哲南等人制备了透明和可拉伸的电容式传感器，其首先将单壁碳纳米管喷射在硅橡胶表面，通过纵向和横向拉伸使碳纳米管形成波纹状，而碳纳米管在变形时保持好的稳定性，然后以高弹性的共聚酯为介电层，两个带碳纳米管整列的电极面对面层压制备了压力和拉伸电容式传感器，其灵敏度呈良好的线性。但该拉伸传感器最大形变小于300％，且电容式传感器受人体表面静电荷干扰很大。此外，Kahp-Yang Suh等人通过紫外固化的方式制备了聚氨酯丙烯酸酯纳米纤维，于其上沉积金属Pt，构建纳米纤维相互咬合的结构，制备的高灵敏度应力传感器能检测出压力、剪切力和扭转力，在以上三种不同的机械负荷下表现出不同的电阻率，但是拉伸强度依然小于300％，且在大形变下，传感器滞后性及其重复稳定性不理想。因此，如何在满足可弯曲、高灵敏、结构简单及其与人体兼容的前提下，提高传感器的抗干扰和稳定重复性具有重要的意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种应变传感材料、制备方法及应变传感系统，利用形变前后透光率变化实现了传感器对物体应变的稳定、实时检测；结构简单、灵敏度高、抗电磁波干扰、体积小、成本低、制作工艺简单、可进行实时监测，有效解决了现有应变传感材料的制作工艺复杂、抗干扰性差等问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种应变传感材料，包括：

弹性透明基体；以及

无机纳米颗粒，掺杂于所述弹性透明基体中，该无机纳米颗粒采用挡光材料形成；

其中，所述应变传感材料在不同应力作用下具有不同的透光率。

优选地，所述无机纳米颗粒的材质选自二氧化钛、二氧化硅及钛酸钡的至少其中之一。

优选地，所述无机纳米颗粒的颗粒尺寸为10～50nm；和\或，所述无机纳米颗粒的掺杂质量浓度为0.05％～0.75％。

优选地，所述弹性透明基体为硅橡胶、聚氨酯弹性体。

优选地，所述硅橡胶包括硅酮和/或PDMS。

优选地，所述应变传感材料为薄膜结构，其厚度大于0.2mm，小于 0.8mm。

根据本发明的另一个方面，提供了一种应变传感材料的制备方法，包括：

将无机纳米颗粒分散于弹性透明基体的溶液中；

将上述分散有无机纳米颗粒的溶液刮涂于基材表面，形成复合形变敏感涂层；

在复合形变敏感涂层固化并干燥后，从基材表面剥离复合膜层，制得应变传感材料；

其中，所述无机纳米颗粒采用挡光材料形成，所述应变传感材料在不同应力作用下具有不同的透光率。

优选地，所述将无机纳米颗粒分散于弹性透明基体的溶液中包括：

将无机纳米颗粒分散于包含多种组分的弹性透明基体的其中一组分溶液中；

加入的弹性透明基体的其他组分溶液。

优选地，所述将无机纳米颗粒分散于包含多种组分的弹性透明基体的其中一组分溶液中之后还包括：加入乙醇，借助乙醇分散，通过外界机械搅拌，使所述无机纳米颗粒均匀分散。

优选地，所述乙醇与所述无机纳米颗粒的质量比大于或等于40:1。

优选地，所述无机纳米颗粒为二氧化钛纳米颗粒；所述硅橡胶为硅酮，包括单体组分和交联剂组分，所述二氧化钛纳米颗粒掺杂于所述单体组分和交联剂组分中的其中任一组分，混匀之后，再加入等量的另一组分。

优选地，所述硅酮，包括单体Ecoflex A和交联剂Ecoflex B，其中，该Ecoflex A用于定量分散掺杂物无机纳米颗粒，该Ecoflex B用于固化成膜和均匀分散二氧化钛纳米颗粒。

根据本发明的另一个方面，提供了一种应变传感系统，包括：

光源，用于提供一定波长的透射光；

所述的应变传感材料，在不同应力作用下对所述透射光具有不同的透光率；

光谱检测装置，用于测试透过所述应变传感材料的光强度。

根据本发明的另一个方面，提供了一种所述的应变传感材料或所述的应变传感系统在人-机交互的智能机器人的应用。

根据本发明的另一个方面，所述的应变传感系统在应变检测系统中的应用。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明应变传感材料、制备方法及应变传感系统至少具有以下有益效果其中之一：

(1)利用传感器形变导致透光率变化的原理，实现了实时监测外界形变及加载力的大小。

(2)应变传感材料利用透光率变化实现对物体应变的检测，为光学原理传感器，相比其他类型传感器具有灵敏度高、响应快、重复稳定性好，抗电磁波干扰，以及可进行实时监测等优点。

(3)采用纳米材料掺杂复合膜直接作为应变传感材料，膜上下不需要电极引出，比现有的传感器信号输出电极通过磁控溅射方法镀电极的应变传感材料在稳定性上得到显著的提高、抗干扰能力更强。

(4)应变传感材料发生形变引起其透光率变化，不受外界自由电荷影响，稳定性好、抗干扰能力较强，可发生0％至600％的形变。

附图说明

图1为依据本发明实施例应变传感材料结构示意图。

图2为依据本发明实施例应变传感系统结构示意图。

图3为依据本发明实施例应变传感材料由0％状态拉伸至500％状态： (a)透光率与加载拉力对应曲线；(b)拉伸过程中，应变传感材料的响应时间图。

图4为依据本发明实施例应变传感材料对光的响应：(a)当波长分别为480nm，550nm，600nm，730nm时，应变传感材料响应曲线；(b) 应变传感材料对不同波长光响应灵敏度曲线。

图5选用2.4V LED作为投射激光源，通过光谱仪实时监测应变传感材料不同拉伸状态下的透光率变化：(a)为不掺杂纳米材料的膜，拉伸前后透过光的绝对辐射强度曲线；(b)为应变传感材料在0％至300％拉伸下，其透过光的绝对辐射强度变化图。

图6应变传感材料固定于手指关节处，下方植入1.5V平面LED，对其透射光绝对辐射强度测试：(a)应变传感材料对不同程度弯曲手指的响应；(b)应变传感材料对手指伸展-弯曲动作的响应；(c)应变传感材料对手指手势数字“2”及(d)“5”的响应。

【符号说明】

1-1无机纳米颗粒，1-2弹性透明基体，2-1光谱检测装置，2-2应变传感材料，2-3光源，2-4夹具。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

图1为本发明实施例应变传感材料结构示意图。如图1所示，本实施例应变传感材料，包括：弹性透明基体1-2；以及无机纳米颗粒1-1，掺杂于所述弹性透明基体中，该无机纳米颗粒采用挡光材料形成；其中，所述应变传感材料在不同应力作用下具有不同的透光率。

具体的，所述无机纳米颗粒可选自二氧化钛、二氧化硅及钛酸钡的至少其中之一。优选的，所述无机纳米颗粒的粒径均一。

更具体而言，所述弹性透明基体为硅橡胶、聚氨酯弹性体。所述硅橡胶包括Ecoflex、PDMS等拉伸弹性材料。本领域技术人员可以理解的是，对于所述硅橡胶的组分、类型等并不限制，只要满足在固化之前呈流动状态，可混合不同浆料、粉体及颗粒，在固化之后，具有一定的拉伸弹性即可。

其中，所述无机纳米颗粒优选为二氧化钛颗粒，所述硅橡胶优选为硅酮，所述应变传感材料的尺寸优选为6cm×3.5cm，可产生的拉伸形变大于0％，小于600％，此时，二氧化钛的质量为0.005～0.2g，优选为0.01 g；颗粒尺寸为10～50nm，优选为30nm；浓度大于0.05％，小于0.75％，优选为0.5％。硅橡胶的质量为1～5g，优选为2g。所述硅橡胶及无机纳米颗粒的质量可根据所述应变传感材料的尺寸适当调整。

进一步的，所述硅橡胶可包括多种组分，例如单体组分、交联剂组分等，可将所述无机纳米颗粒掺杂于所述多种组分的其中任一组分，并充分混和均匀，再加入适量的其他组分。优选的，所述硅橡胶为硅酮，包括两种组分，可将所述无机纳米颗粒掺杂于其中一组分，并充分混和均匀，再加入适量的另一组分。具体的，所述硅酮可包括Ecoflex A和Ecoflex B，该Ecoflex A和Ecoflex B的其中一种可为单体，另一种可为交联剂。

本发明还提供了一种应变传感材料的制备方法，包括：

将无机纳米颗粒分散于弹性透明基体的溶液中；

其中，所述硅橡胶及无机纳米颗粒的质量可根据所述应变传感材料的尺寸适当调整。优选的，所述应变传感材料的形变敏感涂层的厚度大于0.2 mm，小于0.8mm，优选为0.7mm。所述无机纳米颗粒为二氧化钛颗粒，其尺寸为10～50nm，优选为30nm；浓度大于0.05％，小于0.75％，优选为0.5％。

所述硅酮可包括两种组分，即Ecoflex A和Ecoflex B，该Ecoflex A和 Ecoflex B的其中一种可为单体，另一种可为交联剂。以Ecoflex A是单体， Ecoflex B是交联剂为例，该Ecoflex A用于定量分散掺杂物无机纳米颗粒，该Ecoflex B用于固化成膜和均匀分散二氧化钛纳米颗粒；可将所述无机纳米颗粒掺杂于所述两种组分的其中任一组分，并充分混和均匀，再加入等量的另一组分。

进一步的，可利用真空干燥箱去除上述混合溶液中的气泡，以玻璃棒刮涂于相纸基材表面，形成复合形变敏感涂层；

优选的，将无机纳米颗粒分散于包含多种组分的硅橡胶的其中一组分溶液中之后，可在该溶液中加入一定量乙醇，借助乙醇分散，通过外界机械搅拌，促使所述无机纳米颗粒均匀分散。所述乙醇与所述无机纳米颗粒的质量比大于或等于40:1，其体积分数大于1％，小于5％，优选为小于 2％。

下面以纳米级二氧化钛颗粒(金红石相)、硅酮(Ecoflex)为例详细介绍采用本实施例制备方法制备应变传感材料的实例。

将0.01g，28nm，质量分数0.5％的二氧化钛纳米颗粒分散于2g Ecoflex A溶液中；加入0.5ml乙醇，通过机械搅拌使两组分混合均匀；向以上混合体系加入等量的Ecoflex B液，充分混合后，利用真空干燥箱去除上述混合溶液中的气泡，以玻璃棒刮涂于相纸基材表面，形成0.7mm的复合涂层；室温条件放置4h，待复合涂层完全固化并干燥后，从相纸表面剥离复合膜层，即基于二氧化钛掺杂的硅酮复合膜，由此制得新型的应变传感材料。

另外，本发明还提供了一种应变传感系统，图2为本发明新型应变传感系统示意图。如图2所示，本实施例应变传感系统，包括：

应变传感材料2-2，在不同应力作用下对所述透射光具有不同的透光率；

光谱检测装置2-1，用于测试透过所述应变传感材料的光强度；

光源2-3，用于提供一定波长的透射光。

这样的应变传感系统可以应用在应变检测系统中，可以采用夹具2-4 夹在所述应变传感材料的两端，用于使所述应变传感材料产生不同的拉伸。

所述光谱检测装置可为光谱仪，所述光源可为LED激光光源。

本发明实施例中，将夹具固定于应变传感材料两端，通过加载不同拉力，使应变传感材料发生不同的形变，此过程中，使用光源的发射光透过应变传感材料，利用光谱检测装置实时监测应变传感材料透过光强度，即组成拉伸应变测试或传感系统，该工艺制作简单、成本较低，适合批量制作。

图3为本发明应变传感材料由0％状态拉伸至500％状态：(a)透光率与加载拉力对应曲线；(b)拉伸过程中，应变传感材料的响应时间测试图。如图3所示，当传感器由0％拉伸至500％时，其透光率与力随时间均表现出动态变化。图3中(b)是(a)中第一个台阶上升区域的局部放大，是指传感器透光率对外界施加力的响应，响应时间小于1.9s(含仪器响应时间)。传感器拉伸至500％时，外力由0N升高至3.6N，对应传感器透光率由6.7％逐渐提高至37％，该动态阶段力加载时间为46.4s，传感器透光率动态响应时间为48.3s，参照图3中(b)所示，故该传感器静态响应时间约为1.9s(即△t＝t₁-t₂)。传感器透光率与对其所施加力呈一一对应关系，且对施加外力变化响应快，可用来实时分析传感器受力情况。

图4为应变传感材料对光的响应：(a)当光源的光分别为480nm,550 nm，600nm，730nm不同波长时，应变传感材料响应曲线；(b)应变传感材料对不同波长光响应灵敏度不同。由图4可知，应变传感材料制备的传感器由0％逐渐被拉伸至500％(间隔50％取点)：当选取730nm红色光作为透射光时，传感器透光率由11.3％升高至38.2％；选用600nm橙色光时，透光率由7.7％升高至32.8％；选用550nm绿色光时，透光率由 6.2％升高至29.6％；选用480nm蓝色光时，透光率由3.8％升高至24.2％。当传感器恢复至初始状态时，各光源对传感器应变传感材料的透光均下降为初始值(红光：11.2％，橙光：7.6％，绿光：6.0％，蓝光：3.8％)。通过对不同波长光响应的拟合曲线及灵敏度分析可以得出，传感器对蓝光的响应最大(灵敏度为1.1)，绿光仅次之(灵敏度为0.8)，随后是橙光(灵敏度为0.7)，最小的是红光(灵敏度为0.5)。

图5为通过光谱仪实时监测应变传感材料不同拉伸状态下的透光率变化，测试平台主要由下端的2.4V LED激光源、中间的应变传感材料、上端的光纤探头，固定拉伸传感器的拉伸支架共同组成：(a)不掺杂纳米材料的传感器，拉伸前后透过光的绝对辐射强度曲线；(b)0％至300％拉伸下，应变传感材料透过光的绝对辐射强度变化图。以推拉力计控制传感器不同程度拉伸，以2.4V LED激光源为透射光源举例，光源与传感器间距1cm，光源透过应变传感材料，背部选用光谱仪采集透过光，传感器与光谱仪间距3cm，分析透射光强。如图5中(a)所示，不掺杂纳米材料的传感器拉伸前后，光透过绝对辐射强度约分布在0.96μW/cm²/nm处，而掺杂TiO₂的传感器大不相同，如图5中(b)所示，当复合膜由0％拉伸至300％时，其光透过绝对辐射强度由0.046μW/cm²/nm(0％)至0.16 μW/cm²/nm(100％)、0.30μW/cm²/nm(200％)、0.48μW/cm²/nm(300％)。由此可见，本发明新型的应变传感材料经掺杂纳米颗粒改善，其传感性能有很大提高。

本发明提供的应变传感系统和应变传感材料与光源结合可以在人-机交互的智能机器人的应用。图6是将本发明中应变传感材料固定于手指关节处，下方植入1.5V平面LED，对其透射光绝对辐射强度测试：(a)应变传感材料对不同程度弯曲手指的响应；(b)应变传感材料对手指伸展- 弯曲动作的响应；(c)应变传感材料对手指手势数字“2”及(d)应变传感材料对手指手势数字“5”的响应。如图(a)所示，当手指处于伸直状态，对应绝对辐射强度峰值为0.03μW/cm²/nm，对应的透射光功率为0.306 μW/cm²。当手指弯曲角度逐渐增加，绝对辐射强度峰值由0.03μW/cm²/nm 至0.05μW/cm²/nm至0.09μW/cm²/nm至0.14μW/cm²/nm，进一步分析可以得到透射功率亦由0.306μW/cm²至0.702μW/cm²至1.253μW/cm²至1.838 μW/cm²变化。如图6中(b)所示，当手指作“弯曲-伸展-弯曲”往复运动时，本发明应变传感材料也能稳定、快速做出响应。此外，基于该响应特性，通过绝对辐射强度峰值变化，还可用来分辨手指“2”、“5”等数字手势，如图6中(c)、(d)所示，有望用于人-机交互的智能机器人领域。

下面介绍采用本发明应变传感材料制备方法实际制备的应变传感材料的测试效果。

取0.01g，28nm的二氧化钛纳米颗粒分散于2g Ecoflex A液中，加入0.5ml乙醇，通过机械搅拌使两组分混合均匀；然后向以上混合体系加入等量的B液，充分混合并利用真空干燥箱去除上述混合溶液中的气泡；再以玻璃棒刮涂于相纸基材表面，通过构筑0.7mm模板，室温条件放置4 h，待复合涂层完全固化并干燥后，从相纸表面剥离复合膜层，即得新型的应变传感材料。将此复合膜固定于夹具两端，通过加载不同拉力，使应变传感材料发生0％至500％的形变，此过程中，使用730nm波长处的红光，利用光谱仪实时监测应变传感材料透光率变化。

当应变传感材料拉伸0％时，透光率为5～6.5％；拉伸至500％时，透光率约为36～38.6％。

综上，本发明实施例应变传感材料、制备方法及应变传感系统，利用形变前后透光率变化实现了传感器对物体应变的稳定、实时检测；结构简单、灵敏度高、抗电磁波干扰、体积小、成本低、制作工艺简单、可进行实时监测，有效解决了现有应变传感材料的制作工艺复杂、抗干扰性差等问题。

至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明可降解导线及其制备方法有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)除了采用光谱仪作为光谱检测装置之外，也可其他分析光强的仪器或设备，均不影响本发明的实现。

(2)应变传感系统的光源可以用任意型号、颜色、类别的光源替换，满足系统测试条件即可。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种应变传感材料，包括：

弹性透明基体；以及

2.根据权利要求1所述的应变传感材料，其中，所述无机纳米颗粒的材质选自二氧化钛、二氧化硅及钛酸钡的至少其中之一。

3.根据权利要求1或2所述的应变传感材料，其中，所述无机纳米颗粒的颗粒尺寸为10～50nm；和\或，所述无机纳米颗粒的掺杂质量浓度为0.05％～0.75％。

4.根据权利要求1所述的应变传感材料，其中，所述弹性透明基体为硅橡胶、聚氨酯弹性体。

5.根据权利要求4所述的应变传感材料，其中，所述硅橡胶包括硅酮和/或PDMS。

6.根据权利要求1所述的应变传感材料，其中，所述应变传感材料为薄膜结构，其厚度大于0.2mm，小于0.8mm。

7.一种应变传感材料的制备方法，包括：

将无机纳米颗粒分散于弹性透明基体的溶液中；

8.根据权利要求7所述的应变传感材料的制备方法，其中，所述将无机纳米颗粒分散于弹性透明基体的溶液中包括：

加入的弹性透明基体的其他组分溶液。

9.根据权利要求8所述的应变传感材料的制备方法，其中，所述将无机纳米颗粒分散于包含多种组分的弹性透明基体的其中一组分溶液中之后还包括：加入乙醇，借助乙醇分散，通过外界机械搅拌，使所述无机纳米颗粒均匀分散。

10.根据权利要求9所述的应变传感材料的制备方法，其中，所述乙醇与所述无机纳米颗粒的质量比大于或等于40:1。

11.根据权利要求7所述的应变传感材料的制备方法，其中：

所述无机纳米颗粒为二氧化钛纳米颗粒；

所述硅橡胶为硅酮，包括单体组分和交联剂组分，所述二氧化钛纳米颗粒掺杂于所述单体组分和交联剂组分中的其中任一组分，混匀之后，再加入等量的另一组分。

12.根据权利要求11所述的应变传感材料的制备方法，其中，所述硅酮，包括单体Ecoflex A和交联剂Ecoflex B，其中，该Ecoflex A用于定量分散掺杂物无机纳米颗粒，该Ecoflex B用于固化成膜和均匀分散二氧化钛纳米颗粒。

13.一种应变传感系统，包括：

光源，用于提供一定波长的透射光；

权利要求1至6中任一项所述的应变传感材料，在不同应力作用下对所述透射光具有不同的透光率；以及

光谱检测装置，用于测试透过所述应变传感材料的光强度。

14.权利要求1至6中任一项所述的应变传感材料或权利要求13所述的应变传感系统在人-机交互的智能机器人的应用。

15.权利要求13所述的应变传感系统在应变检测系统中的应用。