CN110296778B - 一种无源压力传感纤维及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无源压力传感纤维及其制备方法，包括：纤芯和由多层薄膜成轴对称或同心圆环对称分布所构成的中间层，纤芯位于对称中心；中间层由透明的两种不同折射率的聚合物薄膜交替堆积构成，位于带隙内的光子无法进入中间层，被中间层的带隙结构全反射；纤芯为不透明的聚合物薄膜层，用于将透射过中间层的光子吸收；当中间层受到外部压力导致结构发生变化时，其势场对应的能带结构发生变化，带隙的位置相应改变，可被中间层全反射的光子的波长发生变化；若选取自然光作为检测光源，则多层薄膜不同可见光带隙所反射出的光子的颜色对应变化，可通过判断反射光的颜色检测压力的变化。本发明实现了无源压力传感功能。

Description

一种无源压力传感纤维及其制备方法

技术领域

本发明涉及压力传感技术领域，更具体地，涉及一种无源压力传感纤维及其制备方法。

背景技术

压力传感技术在医疗领域以及新型医疗器件中应用广泛。尤其是在术后血肿、烧伤、慢性静脉溃疡等压力治疗病症中，集成各类压力传感器件的新型多功能医用纺织品可对患者的各个部位同时提供实时的局部压力检测，使得纺织品的作用压力在最佳压力范围3.99kPa-6.65kPa，避免过大压力导致伤口进一步撕裂或是压力过小导致愈合缓慢。

各类传统压力传感器件，例如电容式传感器、压阻式传感器或光学传感器等，均需要电源或者光源提供输入，通过感知外部压力对输入信号的改变实现压力检测。但光源或电源作为信号输入的同时，也带了泄漏、需要不断开启以及发热等问题。本发明采用被动式无源传感方式成功解决了传统压力传感器对光源、电源等源器件的依赖性所导致的泄漏、需主动开启以及发热等问题。

公开号CN109238535A的中国发明专利，提供了一种多芯光纤压力传感器，通过内部镀膜的方式将光束缚于纤芯以感知压力变化，但此类光纤传感器由于内金属镀膜不可弯曲，不具备柔性，便携性差特点。

公开号CN108871658A的中国发明专利提供了一种无源光纤压力传感器以及光纤压力传感系统，但只是将光源部分与传感器隔离，传感器自身信号的产生仍然需要激光光源，泄漏、需主动开启以及发热问题未彻底解决。

公开号CN109431481A的中国发明专利提供了一种微型光纤压力传感器，通过在纤维内构成法布里-珀罗腔(FP腔)以感知压力变化。但只是纤维传感器本身的微型化，为实现压力传感功能，其必须引入光源模块与信号处理模块，限制了传感系统整体的微型化与集成化。

公开号CN108775981A的中国发明专利提供了一种差动式膜片光纤压力传感系统，通过双光纤压力传感器的设计提高了测量精度。但微米级膜片的加工和制备成本极高，薄膜型的压力传感器可连续制备的体积受限，且薄膜型的FP腔受压后会产生不可逆的形变导致信号对比度降低。

另外，现有技术还公开一种空芯金属镀膜压力传感光纤，其结构如图1所示，其通过金属层102与电介质层103所构成的镜面结构实现光路传输，聚合物外包层101提供机械支撑，外部压力改变传输介质结构，进而调制传输光，实现压力传感。但是现有技术中的金属镀膜光纤由于采用镜面反射原理，导光结构受限于金、银等贵金属材料，成本较高，其应用范围非常有限。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有压力传感器柔性缺失导致难以集成的问题、对光源、电源等源器件的依赖性、以及仅可利用金属材料制备，成本较高，难以批量制备等技术问题。

为实现上述目的，一方面，本发明提供一种无源压力传感纤维，包括：纤芯和中间层；

所述纤芯和中间层成轴对称或圆心对称分布，所述纤芯位于对称中心；

所述中间层由透明的两种折射率不同的聚合物薄膜交替堆积构成，两种折射率不同的聚合物薄膜交替堆积产生势场，当光在所述中间层中传输时，会产生布拉格散射，光的能量对应位于不同能带结构的光子，位于带隙内的光子无法进入所述中间层，被中间层全反射；

所述纤芯为不透明的聚合物薄膜，用于将透射过中间层，进入纤芯的光子吸收；

当所述中间层受到的外部压力导致其结构发生变化时，其势场对应的能带结构发生变化，带隙的位置相应改变，被中间层全反射的光子的波长发生变化；若选取自然光作为检测光源，则中间层不同可见光带隙所反射出的光子的颜色对应变化，可通过判断反射光的颜色检测中间层所受到的外部压力的变化。

可选地，纤芯为可见光不透明的纯黑色聚合物实芯材料。

可选地，该无源压力传感纤维还包括：保护层；

所述保护层位于中间层的外围，为透明的聚合物薄膜，用于对所述中间层和纤芯起保护作用。

可选地，所述无源压力传感纤维承受压力时，所述中间层的厚度减小，所述中间层的带隙朝短波长方向移动；

若选取自然光作为检测光源，随着所述压力的变大，所述无源压力传感纤维全反射的光的颜色按照红、橙、黄、绿、蓝、紫的趋势逐渐变化。

可选的，两种聚合物薄膜的厚度比为1:5-5:1。通过控制所述两种折射率不同的聚合物薄膜的厚度比控制所述中间层对应的能带结构，使得反射光波长范围位于380nm-780nm之间，以使得自然光可作为检测光源。

可选的，所述无源压力传感纤维预制棒的界面为长方形、多边形、圆形等多种形态，截面内的纤维结构只需满足存在介质反射层与纤芯即可。

另一方面，本发明提供一种无源压力传感纤维的制备方法，包括如下步骤：

按照轴对称或同心圆环对称分布铺设纤芯和中间层，所述纤芯位于对称中心；所述中间层由透明的两种折射率不同的聚合物薄膜交替堆积构成；所述纤芯为不透明的聚合物薄膜；

在中间层外围铺设透明的聚合物薄膜作为保护层；

对铺设好的保护层、中间层以及纤芯进行热压与切割，得到无源压力传感纤维预制棒；

对所述无源压力传感纤维预制棒进行热拉制，得到无源压力传感纤维。

可选地，通过控制所述两种折射率不同的聚合物薄膜的厚度比控制所述中间层对应的能带结构，使得反射光波长范围位于380nm-780nm。

可选地，所述两种折射率不同的聚合物薄膜的厚度可通过铺设过程、挤压过程以及拉丝过程控制，每层聚合物薄膜的铺设厚度范围为20nm-200μm。

具体地，中间层中每种折射率的聚合物薄膜被拉丝后的每层厚度约在20nm-1000nm。

可选地，所述中间层中每种折射率的聚合物薄膜每层铺设的厚度小于70μm时可采用单次热拉制的方式制备，若存在某一种聚合物薄膜厚度超过70μm时可采用多次热拉制的方式制备。

可选地，所述两种折射率不同的聚合物薄膜可以选取任意的具有类似热力学性能的透明热塑性聚合物薄膜：聚醚砜(PES)薄膜、聚亚苯基砜树脂(PPSU)薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜或聚碳酸酯(PC)薄膜中的至少一种。

其中，PMMA聚合物薄膜具有92％的高透明度。

具体地，中间层中选取的两种折射率不同的聚合物薄膜需要具备类似热力学性能，使得两种聚合物可以共拉。例如：PES和PPSU的组合，或PMMA和PC的组合。

具体地，本发明提供的纤维热拉制方法可实现无源压力传感纤维单次大于100m长度的纤维制备。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明提供了一种无源压力传感纤维，其通过两种折射率差在0.1-1.0、厚度在1μm-200μm的聚合物薄膜制备了一种压力传感纤维，现有的空芯金属镀膜纤维的导光原理为金属层与介质层所构成的镜面反射原理，本发明的无源压力传感纤维则是光子带隙导光原理，由于导光原理的不同，本发明中纤维材料不局限于金属，可选范围更广。

(2)本发明通过薄膜堆叠热压的方式制备交替薄膜结构，与现有热蒸镀-卷绕方式制备多层结构相比，减小了工艺难度，避免了镀膜工艺所带来的柔韧性缺失，提高了纤维在使用时的灵活度与集成便利性。

(3)本发明提出的无源压力传感纤维，借助于其交替结构构成的光子晶体，其光子带隙位于可见光范围，对于照射其上的自然光，可反射特定波段的可见光，进而通过外部压力改变光子带隙结构可反射不同颜色的光，由于采用自然光作为光源，解决了对光源、电源等源器件的依赖性所导致的泄漏、需主动开启以及发热等问题。现有技术中的多芯光纤压力传感器需要外接光源，通过压力改变传输结构，实现传输光的调制，本发明的无源传感纤维则是利用多层结构的选择性反射，直接根据压力变化反射对应波长的可见光，故无需光源等源器件，更为安全，更易于集成。

(4)本发明提供的无源压力传感纤维通过灵活的结构设计与材料选取，可实现不同波段的光的全向反射，同时可实现不同压力范围内的压力传感。由于聚合物材料的柔韧性与生物相容性，可与众多医用纺织品结合用于各类压力治疗，由于纤维结构的可设计性，可与普通织物结合用于各类压力测试。

(5)本发明采用热压法提供预制棒，在通过光纤拉制得到传感纤维。旋涂法纤维长度受限于卷绕棒的尺寸，结构受限于同心圆结构。本发明通过堆叠热压的方式，相交于传统热压法：在热压结构的上端与下端分别放置已事先压制好的具有高透明度的PMMA薄膜用以固定被夹在中间的多层薄膜或纤维条，此外纤维条两端额外采用高温胶带固定，解决了传统热压过程中薄膜偏移、错位等问题。通过堆叠的薄膜的尺寸与结构的不同可以制备方形、圆形、多边形等多个形状的预制棒。以便于与不同形状的纤维结合，适用于不同的环境。

(6)本发明提出的无源压力传感纤维的制备方法中，现有旋涂法所能制备的纤维长度受限，最长为1m左右，本发明提供的热拉制法制备传感纤维可实现百米长度的纤维制备。传统拉丝工艺难以实现百微米到纳米级的纤维拉制，本发明采用二次堆叠、二次热拉的方式制备了具有多层薄膜截面的预制棒。本发明采用纤维拉制工艺，可以直接在拉制过程中调制纤维的直径。若采用旋涂法只能在最开始的时候通过纤芯的设计以及卷绕层数来控制芯径，因此本发明所提供的制备方法控制灵活性较高。可随时根据不同材料实时调整拉丝参数，以获得具有不同初始颜色的传感纤维。本发明提出的无源压力传感纤维制备方式，采用热压或热拉制方式可实现无源压力传感纤维单次百米长度的制备，相交于旋涂法、薄膜式压力传感器等需要高制备成本且制备长度受限的情况，本发明的热拉制制备方式可实现纤维的低成本批量制备。

(7)本发明中由于采用纤维拉制手段，可以采用的材料更多，如聚合物中具有最高透明度的PMMA(92％)，降低了由于材料本身的透明度较低导致的薄膜本身对可见光的吸收，使得纤维整体的颜色显示与颜色变化更为明显，更易于观察。本发明中的纤芯是实芯的，实芯的设计使得纤维更为强韧，可承受压力范围更大。本发明的传感纤维通过三层结构：吸光层、多层薄膜以及最外层的保护层，使得传感纤维不易受到外部的影响，通过增加保护层的方式，提高了该纤维的极端环境耐受性。纤维整体采用实芯设计降低了纤维拉制的难度，同时提高了纤维的拉伸性能。

附图说明

图1是现有技术中公开的常见压力传感纤维的结构示意图；

图2是本发明提供的多种无源压力传感纤维结构示意图，图2中(a)为方型纤维端面结构，(b)为圆形纤维端面结构；

图3是本发明实施例提供的一种无源压力传感纤维预制棒结构示意图；

图4是本发明实例提供的一种无源压力传感纤维结构示意图，图4中(a)为实施例纤维示意图，(b)为实施例纤维端面示意图；

图5是本发明实施例提供的无源压力传感纤维颜色变化与纤维厚度关系；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中，1为多层块体保护层上层，2为中间层上层，3为芯层，4为中间层下层；5为多层块体保护层下层，101为聚合物外包层，102为金属层，103为电介质层，201为透明聚合物外保护层，202为低折射率透明聚合物材料，203为高折射率透明聚合物材料，204为不透明聚合物材料。

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，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，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。

为在保证光感知压力变化过程不受影响且实现纤维柔性化，本发明拟采用纯聚合物材料制备纤维，该纤维既可实现光信号反映压力变化，亦实现了柔性传输。本发明提出了将自然光作为光源，通过压力变化改变纤维结构进而对自然光进行调制以获得可反映压力变化的光信号。

一维光子晶体光纤是一种最近发现的全向光导纤维。周期性排布的介质材料产生了“势场”，两种介质材料的介质常数较大时，会产生布拉格散射，当光在此类光子晶体结构中传输时，光由于布拉格散射被调制，光的能量形成能带结构的光子，能带与能带之间形成带隙，位于带隙内的光子无法进入两种介质材料，若以一定的路径引入缺陷，即可在带隙内形成一条预设的光的通路，只有位于带隙位置的光得以无法进入两种介质材料，并在光路内传播，进而将特定波段的光完全限制在多层结构之外或多层结构包裹的中心。

通过在方形纤维的上下端面分别设计两个相同多层结构，即可将外部照射在纤维表面的自然光中特定颜色的可见光完全反射，剩余波长的光透过包层，被参杂了可见光吸收材料的纤芯吸收。由于能带结构仅与材料本身以及材料的周期结构有关，通过外部压力改变能带结构中每一层介质材料的厚度，进而改变周期结构，使禁带内的光的波长发生偏移。当带隙光的波长位于可见光范围内，压力变化导致带隙结构变化，可反射的可见光颜色发生变化，即压力导致变色。由于压力与纤维厚度成反比，纤维厚度与可反射的带隙波长成正比，故通过纤维颜色的变化即可反映压力变化。

传统的双层结构一般通过镀膜工艺实现，随后通过薄膜卷绕以实现交替结构，其工艺复杂，预制棒周期性结构可控性低。为解决这一问题，本发明采用薄膜堆叠方式，可直接热压成型为预制棒。

如图1所示的现有技术利用的金属镀膜光纤的镜面反射原理，本发明的无源传感纤维采用的是光子带隙导光原理，因此无需受限于金属材料，可采用纯聚合物等实现高柔性。另外，现有技术中的多芯光纤压力传感器需要外接光源，通过压力改变传输结构，实现传输光的调制，本发明的无源传感纤维则是利用多层结构的选择性全反射，直接根据压力变化反射特定波长的可见光，故无需光源等源器件，更为安全，更易于集成。

本发明提供一种无源压力传感纤维，同时提供了该纤维制备方法，以实现柔性、可局部实时检测的压力传感。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种无源压力传感纤维，其包括：

位于所述无源压力传感纤维最上层的聚合物外保护层上层、在所述外保护层下表面设置的由相互接触且并排的两种均匀聚合物薄膜交替排列所组成的多层薄膜的中间层上层、在所述中间层上层的下表面设置的由同一聚合物薄膜状原件堆叠排列所组成的纤芯区域、在所述纤芯区域的下表面设置的由相互接触的两种不同材料均匀聚合物薄膜交替排列所组成的中间层下层、在所述中间层下层下表面设置的聚合物外保护层下层。

优选的，所述的无源压力传感纤维材料可选择范围广，任何折射率差在0.1-1、厚度在1μm-200μm的两种柔性透明聚合物均可用于设计并构建带隙位于可见光的光子晶体结构，故可用于制备所述无源压力传感纤维。

优选的，所述的无源压力传感纤维结构具有多样性，任何具备可反射可见光的光子晶体层的可拉伸纤维均可满足压力传感需求，所述的无源压力传感纤维结构不局限于所述方形结构，中间层与纤芯为同心圆结构亦可实现压力传感。

优选的，所述的无源压力传感纤维上、下中间层可通过光子晶体带隙结构的设计实现可见光范围的全向反射光学特性，所述纤芯区域通过掺杂可实现可见光全吸收特性，所述上、下保护层可见光完全透明，用于保护中间层最外层免受损坏。

可选的，所述无源压力传感纤维预制棒的界面为长方形、多边形、圆形等多种形态，截面内的纤维结构只需满足存在介质反射层与纤芯即可。

优选的，所述的无源压力传感纤维通过选取具有不同折射率的两种聚合物薄膜材料以及控制双层聚合物薄膜的厚度比可实现不同光子晶体结构，光子带隙范围位于380nm-780nm之间，通过外部压力改变两种材料交替所构成光子晶体的厚度，可实现带隙变化，从而通过颜色变化反映压力变化。

优选的，所述的无源压力传感纤维，可与现有纺织工艺结合，用于制备无源压力传感织物。

按照本发明的另一个方面，提供了一种无源压力传感纤维的制备方法，包括如下步骤：

(1)分别截取的两种聚合物薄膜，两种薄膜分为高折射率聚合物薄膜与低折射率聚合物薄膜，优先铺设20-1000层高折射率薄膜作为保护层下层；将所述两种聚合物薄膜各取30-200层交替堆积构成中间层下层；随后铺设20-1000层高折射率薄膜，其中一层薄膜为掺杂可见光不透明材料的高折射率薄膜，作为芯层；在芯层上再次铺设30-200层两种聚合物薄膜交替堆积构成的中间层上层；最后在中间层上层铺设20-1000层高折射率薄膜作为保护层上层；即可得到与上述无源压力传感纤维截面对应的多层薄膜结构。

需要说明的是，本发明仅以保护层和纤芯的聚合物薄膜为高折射率为例进行举例说明。保护层和纤芯的折射率可以为任意的，本领域技术人员可根据需要进行实际选择，因此本发明不对此做任何限定。

可以理解的是，纤芯可以是仅包括一层不透明聚合物薄膜，也可以是包括多层不透明聚合物薄膜，只要实现纤芯可以吸收多层薄膜透射过来的光即可。

另外，多层薄膜中，高折射率和低折射率仅是由于两种不同折射率薄膜之间对比，势必会有一种材料折射率高于另一种，因此此处的高折射率和低折射率仅因折射率相对高低关系而来定义，并不有其他限定作用。

此外，纤芯、保护层或多层薄膜中各层薄膜的厚度是可控的，且两种折射率的薄膜的总层数也可根据实际需要进行选择，以上数据仅作为举例说明，并不起任何限定作用，本领域技术人员应当理解。

(2)随即用热压机对(1-1)中所得多层薄膜进行热压，然后对热压所得的聚合物棒进行切割，即可得到与无源压力传感纤维预制棒。

(3)对所述无源压力传感纤维预制棒进行拉制拉丝，得到所述的无源压力传感纤维。

优选的，所述两种薄膜厚度相同，厚度为20μm-200μm，薄膜长度为5cm-50cm，薄膜宽度为5cm-50cm。

优选的，所述无源压力传感纤维预制棒长度均为5cm-50cm，宽度为0.5cm-4cm，厚度为0.5cm-4cm。

优选的，所述多层薄膜热压时，温度设定为100℃-500℃，压力为1.0MPa-10.0MPa，保温时间为5min-20min，保压时间为10min-40min。

优选的，所述多层块体的拉制以及预制棒的拉制温度为100℃-500℃，同时应使所述多层块体以及预制棒处于拉丝炉的中心。

优选的，所述聚合物薄膜厚度为70μm-200μm时可采用两次拉丝以达到最终所需的纤维尺寸。

优选的，采用热压机以及特种光线拉丝平台可实现预制棒以及纤维的百米至千米级长度制备。

本发明提供了一种无源压力传感纤维，如图2所示，(a)为方型纤维端面结构，(b)为圆形纤维端面结构，参见(b)中的附图标记，201为透明聚合物外保护层，202为低折射率透明聚合物材料，203为高折射率透明聚合物材料，204为不透明聚合物材料。

其结构包括位于所述无源压力传感纤维最上层的聚合物外保护层上层、在所述外保护层下表面设置的由相互接触且并排的两种均匀聚合物薄膜交替排列所组成的多层薄膜的中间层上层、在所述中间层上层的下表面设置的由同一聚合物薄膜状原件堆叠排列所组成的纤芯区域、在所述纤芯区域的下表面设置的由相互接触的两种不同材料均匀聚合物薄膜交替排列所组成的中间层下层、在所述中间层下层下表面设置的聚合物外保护层下层。

优选的，所述的无源压力传感纤维材料可选择范围广，任何折射率差在0.1-1、厚度在1μm-200μm的两种柔性聚合物均可用于设计并构建带隙位于可见光的光子晶体结构。所述的无源压力传感纤维结构具有多样性，任何具备可反射可见光的光子晶体层的纤维均可满足压力传感需求，所述的无源压力传感纤维结构不局限于所述方形结构，中间层与纤芯为同心圆结构亦可实现压力传感。

优选的，所述的无源压力传感纤维上、下中间层可通过光子晶体带隙结构的设计实现可见光范围的全向反射光学特性，所述纤芯区域通过掺杂可实现完全吸收透射光的功能，所述上、下保护层可见光完全透明，用于保护中间层最外层免受损坏。所述的无源压力传感纤维通过选取具有不同折射率的两种聚合物薄膜材料以及控制双层聚合物薄膜的厚度比可实现不同光子晶体结构，光子带隙范围可覆盖0.2μm-20μm，通过外部压力改变两种材料交替所构成光子晶体的厚度，可实现带隙变化，从而通过颜色变化反映压力变化。

优选的，所述的无源压力传感纤维可与现有纺织工艺结合，用于制备无源压力传感织物。

本发明提供的无源压力传感纤维的制备方法，包括如下步骤：

(1)分别截取尺寸相同的高射率与低折射率柔性聚合物薄膜，厚度为1μm-200μm，薄膜长度为5cm-50cm，薄膜宽度为5cm-50cm。作为优选的方案，优先铺设20-1000层高折射率薄膜作为保护层下层；将所述两种聚合物薄膜各取30-200层交替堆积构成中间层下层；随后铺设20-100层高折射率薄膜，其中一层薄膜为掺杂可见光不透明材料的高折射率薄膜，作为芯层；在芯层上再次铺设30-2000层两种聚合物薄膜交替堆积构成的中间层上层；最后在中间层上层铺设20-1000层高折射率薄膜作为保护层上层；即可得到与上述无源压力传感纤维截面对应的多层薄膜结构。

(2)随即用热压机对(1-1)中所得多层薄膜结构进行热压，然后对热压所得的聚合物棒进行切割，即可得到无源压力传感纤维预制棒。作为优选的方案，所述多层薄膜热压时，温度设定为100℃-500℃，压力为1.0MPa-10.0MPa，保温时间为5min-20min，保压时间为10min-40min，薄膜顶端与底端分别预先垫一张特氟龙薄膜；作为优选的方案，所述前驱体预制棒以及纤维预制棒长度均为5cm-50cm，宽度为0.5cm-4cm，厚度为0.5cm-4cm。

其中，特氟龙薄膜用于防止热压的时候聚合物材料直接与金属板接触然后粘接在一起。

(3)表征所述纤维预制棒的端面结构，根据热压时的形变情况，调整拉丝方案的拉丝比例，对所述预制棒进行拉丝，得到所述的无源压力传感纤维。作为优选的方案，所述预制棒的拉制以及预制棒的拉制温度为100℃-500℃，预热温度为100℃-400℃，同时应使所述预制棒处于拉丝炉的中心，保证预制棒各层之间受热均匀。纤维预制棒与牵引装置之间应保持相同面向，以防止拉丝过程中出现纤维的旋转。最终所得为截面厚度为100μm-900μm，宽度为100μm-900μm，长度为百米至数千米的无源压力传感纤维，其中构成光子晶体的上、下中间层的两种聚合物薄膜厚度为50nm-250nm。

本发明中的无源压力传感纤维则是采用光子带隙导光原理，故纤维材料不局限于金属，具有多样性。由于无源压力传感纤维的导光主要影响因素为所述中间层下层与上层中每一层材料的厚度与交替方式，通过对纤维施加压力，即可实现中间层厚度的减小。根据光子晶体导光原理，此时无源压力传感纤维的可反射带隙将会朝短波长方向移动。宏观上，纤维的颜色将从拉制出来的红色开始，随着压力的变大，逐步按照红-橙-黄-绿-蓝-紫的方式逐渐变色。直至最后带隙移至紫外区域，纤维整体呈黑色状态。由于采用堆叠方式制备多层结构，极大的降低了镀膜工艺所需的时间，此外将自然光作为光源，通过设计的光子带隙结构以及拉伸等方式可实现不同颜色的自然光反射即可实现无源压力柔性传感。

本发明提供的无源压力传感纤维可用于感知纤维表面与接触面之间的压力，由于以自然光为光源，且压力变化直接反映在带隙结构的变化上，进而直接反映在外部颜色上，故本发明提供的无源压力传感纤维可实现实时被动反映压力变化，且真正意义上实现了无源，解决了传统纤维式压力传感器对光源、电源等源器件的依赖性所导致的泄漏、需主动开启以及发热等问题。由于完全采用聚合物材料，本发明提供的无源压力传感纤维具有等同于传统聚合物纤维的柔韧性，因此易于集成到传统纺织品，例如作为普通医用纺织品，例如绷带，内含本发明的无源压力传感纤维的绷带将在压力治疗中通过颜色变化实时显示患处的压力。同时利用编织技术将无源压力传感纤维集成在绷带的不同区域即可实现大面积烧伤等患处的局部压力实时显示。

以下为实施例一：

本发明实时例一中，首先提供了一种无源压力传感纤维，其包括：

位于所述无源压力传感纤维最上层的外保护层上层、在所述外保护层下表面设置的由相互接触且并排的两种均匀聚合物薄膜交替排列所组成的多层薄膜的中间层上层、在所述中间层上层的下表面设置的由同一薄膜状原件堆叠排列所组成的纤芯区域、在所述纤芯区域的下表面设置的由相互接触的两种不同材料均匀薄膜交替排列所组成的中间层下层、在所述中间层下层下表面设置的外保护层下层。

其中，该纤维的两种柔性聚合物薄膜材质为聚醚砜(Polyether sulfone，PES)薄膜和聚亚苯基砜树脂(Polyphenylene sulfone resins，PPSU)薄膜，其折射率分别为1.796和1.672，最外层的外保护层上层与外保护层下层均为厚度为300μm的PES，宽度为900μm。中间层为交替堆叠200层的PES和PPSU交替层，单层PPSU或PES的厚度均为100nm，中间层总厚度为20μm，宽度为900μm，芯层区域为280μm厚度掺杂吸光材料的PES层，其可将透射过中间层上层的其他可见光吸收以避免可见光穿过中间层上层、芯层、中间层下层后从外保护层出射。

本发明提实施例还提供一种无源压力传感纤维的制备方法包括：前驱体的制备、预制棒的制备与纤维拉制。

预制棒结构如图3所示，包括以下组件：多层块体保护层上层1，中间层上层2，芯层3，中间层下层4，多层块体保护层下层5。

预制棒的制备方法包括以下步骤：

(1-1)分别截取一定数量尺寸相同的厚度相同PES、PPSU薄膜，作为优选的方案，根据前期仿真计算时所得到的结果，PES与PPSU材料实现最佳带隙结构时的厚度均为100nm。故所述PES、PPSU薄膜厚度均为1μm，长度均为50cm，宽度均为50cm，优先铺设厚度为3mm的PES作为保护层下层；将PES、PPSU薄膜各取100层交替堆积构成中间层下层；随后铺设厚度为2.8mm的PES，其中一层薄膜为掺杂可见光不透明材料的PES薄膜，作为芯层；在芯层上再次铺设3200层PES、PPSU薄膜交替堆积构成的中间层上层；最后在中间层上层铺设3mm的PES作为保护层上层；即可得到无源压力传感纤维多层结构。

(1-2)随即用热压机对(1-1)中所得无源压力传感纤维多层结构进行热压，然后对热压所得的聚合物棒进行切割，即可得到由PES、PPSU构成的无源压力传感纤维预制棒，作为优选的方案，所述多层薄膜热压时，温度设定为140℃，压力为2.0MPa，保温时间为8min，热压时间为20min，薄膜顶端与底端分别预先垫一张特氟龙薄膜，最终所得为宽2.5cm，长度为16cm，厚度为15mm的无源压力传感纤维预制棒。

纤维结构如图4所示，其中(a)为实施例纤维示意图，(b)为实施例纤维端面示意图；与预制棒结构相同，具有层块体保护层上层，中间层上层，芯层，中间层下层，多层块体保护层下层。纤维拉制方法包括以下步骤：对所述预制棒进行拉丝，得到所述的无源压力传感纤维。作为优选的方案，所述预制棒的拉制以及预制棒的拉制温度为270℃，预热温度为200℃，同时应使所述预制棒处于拉丝炉的中心，保证预制棒各层之间受热均匀。纤维预制棒与牵引装置之间应保持相同面向，以防止拉丝过程中出现纤维的旋转。最终所得为截面为500μm×900μm，长度为150m的无源压力传感纤维。

纤维在单个交替周期为PES厚度为100nm、PPSU厚度为100nm时，所形成的光子晶体结构，第一带隙位于645nm-769nm。由于纤维被拉伸或挤压，纤维厚度将发生变化，由于纤维厚度与带隙位置成正比，当纤维的厚度受压力改变时，所形成的带隙范围也不同，不同厚度下所构成的带隙结构如图5所示，厚度为192.2nm-235.6nm时为红光，厚度压至183.52nm-192.2nm时为橙光；厚度为179.18nm-183.52nm时为黄光；厚度为155nm-179.18nm时为绿光；厚度为143.84nm-155nm时为青光；厚度为138.26nm-143.84nm时为蓝光；厚度为124nm-138.26nm时为紫光。

以下为实施例二：

本发明实时例二中，首先提供了一种无源压力传感纤维，其包括：

位于所述无源压力传感纤维最上层的外保护层上层、在所述外保护层下表面设置的由相互接触且并排的两种均匀聚合物薄膜交替排列所组成的多层薄膜的中间层上层、在所述中间层上层的下表面设置的由同一薄膜状原件堆叠排列所组成的纤芯区域、在所述纤芯区域的下表面设置的由相互接触的两种不同材料均匀薄膜交替排列所组成的中间层下层、在所述中间层下层下表面设置的外保护层下层。

其中，该纤维的两种柔性聚合物薄膜材质为聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)和聚碳酸酯薄膜(Polycarbonate，PC)薄膜，其折射率分别为1.477和1.3，最外层的外保护层上层与外保护层下层均为厚度为200μm的PMMA，宽度为830μm中间区域为经过二次拉制的120层PMMA和PC交替层，单层PMMA或PC的厚度均为100nm，中间层总厚度为12μm，宽度为830μm，芯层区域为100μm厚度掺杂吸光材料的PMMA层，其可将透射过中间层上层的其他可见光吸收以避免可见光穿过中间层上层、芯层、中间层下层后从外保护层出射。

需要说明的是，两种折射率不同的聚合物薄膜可以选取的种类很多，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，只需要保证两种材料的折射率不同即可。本发明实施例中仅以其中的几种常规薄膜进行举例说明，并不用做对本发明保护范围的任何限定。

本发明提实施例还提供一种无源压力传感纤维的制备方法包括：前驱体的制备、预制棒的制备与纤维拉制。

预制棒结构如图3所示，包括以下组件：多层块体保护层上层1，中间层上层2，芯层3，中间层下层4，多层块体保护层下层5。

前驱体的制备方法包括以下步骤：

(1-1)分别截取一定数量尺寸相同的PMMA、PC薄膜，作为优选的方案，根据前期仿真计算时所得到的结果，PMMA与PC材料实现最佳带隙结构时的厚度均为100nm。故所述PMMA、PC薄膜厚度均为75μm，长度均为8cm，宽度均为16cm，将所述PMMA、PC薄膜各取60层交替堆积120层，随后在最上层补上一层PMMA薄膜，使得最上层与最下层均设计为PMMA材料，以便于未来显微镜下的观察；

(1-2)随即用热压机对(1-1)中所得120层交替薄膜进行热压，即可得到初始PMMA、PC薄膜交替排列的薄板，采用切割机将初始多层块体切割成多个长宽一样的初始前驱体预制棒。作为优选的方案，所述多层薄膜热压时，温度设定为140℃，压力为2.0MPa，保温时间为8min，热压时间为20min，薄膜顶端与底端分别预先垫一张特氟龙薄膜，最终所得初始多层块体的长度为8.5cm，宽度为16cm，厚度为7mm。采用切割机切割时共切得2个长2.5cm，宽度为16cm，厚度为7mm的前驱体预制棒。

(1-3)对所述多层块体进行拉制，得到横截面等比缩小的多层结构的长度为m级的前驱体纤维。作为优选的方案，所述多层块体的拉制以及预制棒的拉制温度为270℃，预热温度为200℃，同时应使所述多层块体处于拉丝炉的中心，保证预制棒各层之间受热均匀。纤维预制棒与牵引装置之间应保持相同面向，拉制结束后的聚合物纤维长度为1mm，厚度为0.35mm，宽度为45m。将所述前驱体纤维剪为40根长度为1mm，厚度为0.35mm，宽度为16cm的聚合物纤维条，表征所述纤维条的截面结构。

预制棒的制备包含以下步骤：将所述20根前驱体纤维条并排置于由80层PMMA薄膜热压所构成的保护层下层上，以构成长度为2cm，宽度为16cm，厚度为0.35mm的交替介质中间层下层。并在中间层上铺设40层PC薄膜，其中存在一层PC薄膜为掺杂可见光不透明材料的纯黑色PC薄膜，随后在40层PC薄膜层上铺设20根前驱体纤维条，以构成长度为2cm，宽度为16cm，厚度为0.35mm的交替介质中间层上层。并在中间层上层上铺设由80层PMMA薄膜热压所构成的保护层上层，将最终所得到的多层结构置于热压机内压制即可得到最终的预制棒。作为优选的方案，所述多层薄膜热压时，温度设定为140℃，压力为2.0MPa，保温时间为8min，热压时间为20min，薄膜顶端与底端分别预先垫一张特氟龙薄膜，最终所得为长2cm，宽度为16cm，厚度为15mm的预制棒。

纤维拉制方法包括以下步骤：对所述预制棒进行拉丝，得到所述的无源压力传感纤维。作为优选的方案，所述预制棒的拉制以及预制棒的拉制温度为270℃，预热温度为200℃，同时应使所述预制棒处于拉丝炉的中心，保证预制棒各层之间受热均匀。纤维预制棒与牵引装置之间应保持相同面向，以防止拉丝过程中出现纤维的旋转。最终所得为截面为500μm×660μm，长度为150m的无源压力传感纤维。

图5是本发明实施例提供的无源压力传感纤维颜色变化与纤维厚度关系；由于纤维厚度与带隙位置成正比，当纤维的厚度受压力改变时，所形成的带隙范围也不同，即纤维厚度逐渐变大，颜色逐渐由蓝向红变化。如图5所示，纤维在PMMA厚度为100nm、PC厚度为100nm时，对应可反射带隙为624nm-650nm，即红光区域，当产生压力导致薄膜形变时，厚度压至189.4nm-198.4nm时为橙光；厚度为185nm-189.4nm时为黄光；厚度为160nm-185nm时为绿光；厚度为148.5nm-160nm时为青光；厚度为142.7nm-148.5nm时为蓝光；厚度为128nm-142.7nm时为紫光。

需要说明的是，本发明实施例中选取的厚度、层数、温度、压力、时间、折射率等数据仅作为示例进行举例说明，并不用作对本发明的任何限定。本领域技术人员可根据实际需要选择其他参数，可以理解这种变动是不需要付出创造性劳动的，均应属于本发明的保护范围。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无源压力传感纤维，其特征在于，包括：纤芯和中间层；

所述纤芯和中间层成轴对称或同心圆环对称分布，所述纤芯位于对称中心；

所述中间层由透明的两种折射率不同的聚合物薄膜交替堆积构成，两种折射率不同的聚合物薄膜交替堆积产生势场，当光在所述中间层中传输时，会产生布拉格散射，不同波长的光子对应位于不同能带结构，位于带隙内的光子无法进入所述中间层，因而被中间层全反射；

所述纤芯为不透明的聚合物薄膜，用于将透射过中间层并进入纤芯的光子吸收；

当所述中间层受到的外部压力导致其结构发生变化时，其势场对应的能带结构发生变化，带隙的位置相应改变，被中间层全反射的光子的波长发生变化；若选取自然光作为检测光源，则中间层不同带隙所反射出的光子的颜色对应变化，可通过判断反射光的颜色检测中间层所受到的外部压力的变化。

2.根据权利要求1所述的无源压力传感纤维，其特征在于，还包括：保护层；

所述保护层位于中间层的外围，为透明的聚合物薄膜，用于对所述中间层和纤芯起保护作用。

3.根据权利要求1所述的无源压力传感纤维，其特征在于，所述纤芯为可见光不透明的纯黑色聚合物实芯材料；所述无源压力传感纤维的截面为方形、多边形或圆形。

4.根据权利要求1至3任一项所述的无源压力传感纤维，其特征在于，通过控制两种聚合物薄膜的厚度比和折射率以控制所述中间层对应的能带结构，使得反射光波长范围位于380nm-780nm，以使得自然光可作为检测光源。

5.一种无源压力传感纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

按照轴对称或同心圆环对称分布铺设纤芯和中间层，所述纤芯位于对称中心，为不透明的聚合物薄膜，用于将透射过中间层，进入纤芯的光子吸收；所述中间层由透明的两种折射率不同的聚合物薄膜交替堆积构成，当光在所述中间层中传输时，会产生布拉格散射，光的能量对应位于不同能带结构的光子，位于带隙内的光子无法进入所述中间层，被中间层全反射；

在中间层外围铺设透明的聚合物薄膜作为保护层；

对铺设好的保护层、中间层以及纤芯进行热压与切割，得到无源压力传感纤维预制棒；

对所述无源压力传感纤维预制棒进行热拉制，得到无源压力传感纤维。

6.根据权利要求5所述的无源压力传感纤维的制备方法，其特征在于，两种折射率不同的聚合物薄膜的厚度比为1:5到5:1。

7.根据权利要求5或6所述的无源压力传感纤维的制备方法，其特征在于，所述两种折射率不同的聚合物薄膜的厚度可通过铺设过程、挤压过程以及拉丝过程控制，每层聚合物薄膜的铺设厚度范围为20nm-200μm。

8.根据权利要求5或6所述的无源压力传感纤维的制备方法，其特征在于，所述中间层中每种折射率的聚合物薄膜每层铺设的厚度小于70μm时可采用单次热拉制的方式制备，若存在某一种聚合物薄膜厚度超过70μm时可采用多次热拉制的方式制备。

9.根据权利要求5或6所述的无源压力传感纤维的制备方法，其特征在于，所述两种折射率不同的聚合物薄膜为任意可以共拉的聚合物薄膜。

10.根据权利要求5或6所述的无源压力传感纤维的制备方法，其特征在于，通过热拉制的方式可实现单次大于100m长度的纤维制备。

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