CN110343386B - 可拉伸的复合型力敏材料、其制备方法及可拉伸的压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可拉伸的复合型力敏材料，包括弹性基体与磁性颗粒，磁性颗粒分布在弹性基体中，并且所述磁性颗粒形成若干条链状结构单元，每条链状结构单元中磁性颗粒形成电接触，各链状结构单元基本排布整齐并且彼此间电绝缘。该复合型力敏材料可作为压力传感介质，并且在拉伸条件下可保持稳定的压力响应特性。本发明采用磁性颗粒作为磁性导电填料，通过外加磁场方向调控磁性导电填料在弹性基体中的分布，获得电学性能各向异性的可拉伸的复合型力敏材料。

Description

可拉伸的复合型力敏材料、其制备方法及可拉伸的压力传 感器

技术领域

本发明属于柔性材料技术领域，尤其涉及一种可拉伸的复合型力敏材料、其制备方法以及可拉伸的压力传感器。

技术背景

自计算机诞生以来，人们一直努力建立一个友好智能的人机交互系统，从而更加有效地将人的意图传递给机器。作为交互系统重要的前端传感单元之一，压力传感器已在过去几十年得到了长足的发展，例如从早期的鼠标和键盘演化到现在的游戏手柄和触摸屏。现有的压力传感器可以良好地检测刚性表面上施加的压力。随着可拉伸柔性传感技术的发展，压力传感器被要求具有柔软且可拉伸，不仅可提高接触时的舒适性，更重要的是可贴合在待测体上，并随着待测体运动感知外界施加压力，被称为可拉伸电子皮肤。

压阻式压力传感器因具有结构简单、制备容易、灵敏度高等优点，是可拉伸压力传感器的重要类型。这类压力传感器通常选用可拉伸复合型力敏材料作为传感介质。该复合材料是在弹性基体中无序分布导电填料，随着外加压力增大，复合材料中沿压力方向的填料间隙减小，使复合材料电阻减小，这种变化存在一定的函数关系，从而实现感知外加压力的大小。但是，由于弹性基体中导电颗粒随机分布，因此其电学性能各向同性，在拉伸作用下，复合材料中沿拉伸方向的填料间隙增大，有可能破坏压力方向的导电通道，从而引起复合材料在压力方向的电阻显著增大而无法对该压力进行探测。即，基于现有的可拉伸复合型力敏材料的压阻式压力传感器对拉伸十分敏感，在拉伸过程中会对压力响应产生强的干扰，难以保持稳定的压力响应特性。

发明内容

本发明提供一种可拉伸的复合型力敏材料，包括弹性基体与磁性颗粒，所述磁性颗粒分布在弹性基体中，并且所述磁性颗粒形成若干条链状结构单元，每条链状结构单元中磁性颗粒形成电接触，各链状结构单元基本排布整齐并且彼此间电绝缘。

所述磁性颗粒不限，包括磁性金属、磁性合金、磁性化合物、磁性氧化物等。

所述弹性基体具有柔性，即，可发生拉伸、压缩、弯曲等形变；并且，所述弹性基体为绝缘体。所述弹性基体材料不限，包括各类柔性高分子材料，例如硅橡胶、嵌段共聚物、水凝胶等。

本发明的可拉伸的复合型力敏材料中，每条链状结构单元形成导电连接，而各链状结构单元之间呈电绝缘，因此当沿着各链状结构单元的排布方向进行拉伸时，由于弹性基体模量远低于磁性导电颗粒，主要形变发生在弹性基体中，因此导电连接的电学性能基本不变。在这种情况下，当受到沿着链状结构单元长度方向的外界压力时，由于磁性颗粒间隙减小而引起导电连接的电学性能变化，电导率随着施加压力的增大而增大，从而可感知外界施加的压力大小。即，本发明的可拉伸的复合型力敏材料可作为可拉伸的压力传感器中的压力传感介质，并且当沿着各链状结构单元的排布方向进行拉伸时电学性能呈各向异性，对沿着链状结构单元长度方向的外界压力响应不干扰，可保持稳定的压力响应特性，解决了现有压阻型压力传感器在拉伸过程中无法正常使用的难题。

本发明还提供一种制备可拉伸的复合型力敏材料的方法，该方法基于磁性颗粒在外加磁场作用下会沿着磁力线排列形成若干条链状结构单元，每条链状结构单元中磁性颗粒形成电接触，并且各链状结构结构单元之间互相电隔绝的物理现象，将磁性颗粒作为导电填料与液态的弹性基体混合后施加一定方向的磁场，在磁场作用下使磁性颗粒在液态的弹性基体中形成若干条沿磁力线方向排列的链状结构单元，并且各链状结构结构单元彼此电绝缘。

即，该制备方法包括如下步骤：

(1)将磁性颗粒与液态的弹性基体混合均匀，得到混合体；

(2)对混合体施加一定方向的磁场，然后固化混合体。

所述磁性颗粒具有导电性。所述磁性颗粒不限，包括磁性金属、磁性合金、磁性化合物、磁性氧化物等。

所述步骤(2)中，作为优选，对混合体施加垂直方向的磁场，作为进一步优选，对混合体施加垂直方向的匀强磁场。

所述弹性基体具有柔性，即，可发生拉伸、压缩、弯曲等形变；并且，所述弹性基体为绝缘体。所述弹性基体材料不限，包括各类柔性高分子材料，例如硅橡胶、嵌段共聚物、水凝胶等。

所述步骤(2)中，磁场源不限，包括永磁体间形成的磁场，通电螺线圈产生的磁场等。

所述步骤(2)中，固化方式不限，包括催化剂引发的固化、高温固化、光固化等。

本发明选用磁性颗粒作为磁性导电填料，通过外加磁场方向调控磁性导电填料在弹性基体中的分布，从而获得电学性能各向异性的可拉伸的复合型力敏材料，具有如下有益效果：

(1)由于磁力线之间互相隔绝而无交叉，因此获得的复合型力敏材料沿着磁力线方向的电导率高，而垂直于磁力线方向的电导率处于绝缘状态，二者相比，沿着磁力线方向的电导率比垂直于磁力线方向的电导率高达4～5个数量级。因此，在垂直于磁力线方向进行拉伸时，由于弹性基体模量远低于磁性导电颗粒，主要形变发生在弹性基体中，而沿着磁力线方向排列的磁性颗粒链的形状基本不被破坏，即，沿着磁力线方向的电学性能基本不变。在这种情况下，当施加沿着磁力线方向的外界压力时，磁性颗粒链中间隙减小，即磁性颗粒排列更紧密，电学性能得到改善，因此沿着磁力线方向的电导率随着施加压力的增大而增大，从而可感知外界施加的压力大小。并且拉伸过程对压力响应不干扰，可保持稳定的压力响应特性。

(2)制备工艺简单；通过调控磁场方向可控制该复合型力敏材料内部的磁性颗粒排列；通过改善弹性基体可调整复合材料的力学性能，满足该复合材料作为可拉伸压力传感器中传感介质时的实际力学要求；

为了提高本发明的可拉伸的复合型力敏材料的压力响应特性，作为优选，可提高磁性颗粒表面粗糙度，用于当施加外界压力使链状结构单元中的磁性颗粒互相挤压时提高接触面积，从而进一步提高电学性能。作为一种实现方式，可在磁性颗粒表面引入导电的纳米突起，例如花状、海胆状突起等。作为一种实现方式，通过原位生长法在磁性颗粒表面引入导电的纳米突起。

附图说明

图1是本发明实施例1中可拉伸的复合型力敏材料的制备示意图。

图2是本发明实施例1与实施例2中制得的表面具有纳米突起的磁性颗粒形貌。

图3是本发明实施例1与实施例2中制得的复合型力敏材料在不同拉伸状态下的压力响应。

图1中的附图标记：1-磁性颗粒，2-未交联的弹性聚合物基体，3-垂直磁场。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例中，如图1所示，可拉伸的复合型力敏材料的制备方法如下：

(1)将1g磁性镍颗粒置于0.01mol的左旋多巴胺溶液中，超声1小时后将混合液转移到0.01mol的金氯酸溶液，在10℃反应温度下，使金氯酸溶液中的金离子在镍颗粒表面定向生长，形成海胆状磁性镍颗粒1，如图2中的(a)图所示。

(2)将步骤(1)得到的海胆状磁性镍颗粒1与2g未交联的聚二甲基硅氧烷弹性基体2以及0.2g的交联催化剂共混均匀；将混合物流延成厚度为200微米的薄膜并静止一定时间排出气泡；随后，将薄膜置于平行的钕铁硼磁铁中间，即，薄膜位于钕铁硼磁铁形成的垂直磁场3中，磁场强度约为1500奥斯特，在磁场作用下磁性镍颗粒沿磁场方向排列形成若干条颗粒链，每条颗粒链中磁性颗粒形成电接触，各颗粒链排布整齐并且彼此间电绝缘；最后，将薄膜置于烘箱中，在60℃弹性基体交联固化，得到电学性能各向异性的复合型力敏材料。

对上述制得的可拉伸的复合型力敏材料施加沿着磁力线方向的外界压力，同时在垂直于磁力线方向进行拉伸，测量电流变化，结果如图3所示。可以看出，在拉伸0％、25％、50％、75％、100％的拉伸状态下，该复合型力敏材料均保持原有良好的压力响应特性。

上述制得的可拉伸的复合型力敏材料可用于可拉伸压力传感器中的传感介质。该压力传感器可作为可拉伸电子皮肤。

实施例2：

(1)将1g磁性镍颗粒置于0.01mol的左旋多巴胺溶液中，超声1小时后将混合液转移到0.01mol的金氯酸溶液，在15℃反应温度下，使金氯酸溶液中的金离子在镍颗粒表面定向生长，形成花状磁性镍颗粒2，如图2中的(b)图所示。

(2)将步骤(1)得到的花状磁性镍颗粒与20g溶质质量分数为10％的聚氨酯溶液弹性基体共混均匀；将混合物流延成厚度为200微米的薄膜并静止一定时间排出气泡；随后，将薄膜置于平行的钕铁硼磁铁中间，即，薄膜位于钕铁硼磁铁形成的垂直磁场中，磁场强度约为1500奥斯特，在磁场作用下磁性镍颗粒沿磁场方向排列形成若干条颗粒链，每条颗粒链中磁性颗粒形成电接触，各颗粒链排布整齐并且彼此间电绝缘；最后，将薄膜置于烘箱中，在80℃、真空状态下聚氨酯溶液中溶剂完全挥发，得到交联的聚氨酯弹性基体，弹性基体完全交联后获得电学性能各向异性的复合型力敏材料。

对上述制得的可拉伸的复合型力敏材料施加沿着磁力线方向的外界压力，同时在垂直于磁力线方向进行拉伸，测量电流变化，结果如图3所示。可以看出，在拉伸0％、25％、50％、75％、100％的拉伸状态下，该复合型力敏材料均保持原有良好的压力响应特性。

上述制得的可拉伸的复合型力敏材料可用于可拉伸压力传感器中的传感介质。该压力传感器可作为可拉伸电子皮肤。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种能够避免拉伸过程对压力响应的干扰而保持稳定压力响应特性的可拉伸的压力传感器，其特征是：传感介质采用可拉伸的复合型力敏材料，所述可拉伸的复合型力敏材料包括弹性基体与磁性颗粒，所述磁性颗粒分布在弹性基体中，并且所述磁性颗粒形成若干条链状结构单元，每条链状结构单元中磁性颗粒形成电接触，各链状结构单元基本排布整齐并且彼此间电绝缘；

所述弹性基体的弹性模量远低于磁性导电颗粒的弹性模量；所述磁性颗粒包括磁性金属与磁性化合物中的一种或者两种；

所述弹性基体包括硅橡胶；

在垂直于磁力线方向进行拉伸，沿着链状结构单元长度方向施加外界压力，通过所述复合型力敏材料的电信号变化感知所施加的外界压力大小。

2.如权利要求1所述的可拉伸的压力传感器，其特征是：所述磁性颗粒包括磁性合金、磁性氧化物中的一种或者两种。

3.一种可拉伸的复合型力敏材料的应用方法，其特征是：所述复合型力敏材料的制备方法包括如下步骤：

（1）将磁性颗粒与液态的弹性基体混合均匀，得到混合体；

所述弹性基体的弹性模量远低于磁性导电颗粒的弹性模量；所述磁性颗粒包括磁性金属与磁性化合物中的一种或者两种；

所述弹性基体包括硅橡胶；

（2）对混合体施加一定方向的磁场，然后固化混合体；

制得的复合型力敏材料用于能够避免拉伸过程对压力响应的干扰而保持稳定压力响应特性的可拉伸的压力传感器中的传感介质；工作状态时，施加沿着磁场方向的外界压力，同时沿着垂直磁场方向进行拉伸。

4.如权利要求3所述的可拉伸的复合型力敏材料的应用方法，其特征是：所述磁性颗粒包括磁性合金、磁性氧化物中的一种或者两种。

5.如权利要求3所述的可拉伸的复合型力敏材料的应用方法，其特征是：所述步骤（2）中，对混合体施加垂直方向的磁场。

6.如权利要求5所述的可拉伸的复合型力敏材料的应用方法，其特征是：所述步骤（2）中，对混合体施加垂直方向的匀强磁场。

7.如权利要求3所述的可拉伸的复合型力敏材料的应用方法，其特征是：所述步骤（2）中，磁场源包括永磁体间形成的磁场，或者通电螺线圈产生的磁场。

8.如权利要求3所述的可拉伸的复合型力敏材料的应用方法，其特征是：所述步骤（2）中，采用催化剂引发的固化、高温固化、光固化中的一种进行固化。

9.如权利要求3所述的可拉伸的复合型力敏材料的应用方法，其特征是：所述步骤（1）中，首先对磁性颗粒表面进行粗糙化，然后将磁性颗粒与液态的弹性基体混合均匀，得到混合体。

10.如权利要求9所述的可拉伸的复合型力敏材料的应用方法，其特征是：所述粗糙化是在磁性颗粒表面引入导电的纳米突起。