CN110698717A - 多孔结构介电材料及其制备方法、电容式压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多孔结构介电材料及其制备方法、电容式压力传感器，所述制备方法包括：将一液体金属与一聚合物的液态预聚物按预定比例混合，形成混合溶液；向所述混合溶液中添加固化剂，形成所述液体金属与所述聚合物的液态混合物；将所述液态混合物渗入多孔结构模板中并固化；溶解所述多孔结构模板，形成具有可变介电常数的固态多孔结构介电材料。所述电容式压力传感器包括两个电极板和位于所述两个电极板之间的柔性介电层，其中，所述柔性介电层由所述介电材料制成。该介电材料具有可变的介电常数与良好的柔性；该电容式压力传感器具有较高的灵敏度。

Description

多孔结构介电材料及其制备方法、电容式压力传感器
技术领域
本发明属于电容压力传感器技术领域，具体涉及一种多孔结构介电材料及其制备方法、电容式压力传感器。
背景技术
压力传感器是将压力信号转换为电信号的电子器件，被广泛应用于机器人、健康医疗等领域。压力传感器按照工作原理可分为：压阻式、电容式、压电式、电感式等，其中，电容式压力传感器是一种利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器，由于其灵敏度高、温度独立等优点在压力传感器领域被广泛研究。
电容压力传感器通常由介电层与两个电极组成的，外部压力作用在传感器表面，压缩介电层，减小两个电容极板之间的距离，改变两个电容极板之间电容，从而实现压力的测量。对压力传感器来说，灵敏度是非常重要的一个指标。通常提高灵敏度的方法是，采用低杨氏模量的高压缩弹性体，并通过构建特殊的结构，使介电层变的更易压缩。
为了进一步提高电容压力传感器的灵敏度，现有技术提出了一种可以变介电常数的介电质。这种可变介电常数的介电质是通过构造孔状结构或凸起结构在极板中间形成许多空隙，这种空隙不仅减小了介电层的杨氏模量，当这种介电质被压缩时，高介电常数的聚合物材料会代替极板中间的空隙，还提高了介电质的介电常数。根据电容经典公式其中，C为电容值，ε为介电常数，S为电容上下极板的重合面积，d为上下极板的间距)，当这种可变介电常数的介电质被压缩时，公式中的d下降，ε会上升，导致电容压力传感器灵敏度的进一步提高。然而，现有技术的介电质的介电常数普遍较小，无法进一步满足提高电容压力传感器的灵敏度的要求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种多孔结构介电材料及其制备方法、电容式压力传感器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明的一个方面提供了一种多孔结构介电材料的制备方法，包括：
将一液体金属与一聚合物的液态预聚物按预定比例混合，形成混合溶液；
向所述混合溶液中添加固化剂，形成所述液体金属与所述聚合物的液态混合物；
将所述液态混合物渗入多孔结构模板中并固化；
溶解所述多孔结构模板，形成具有可变介电常数的固态多孔结构介电材料。
在本发明的一个实施例中，所述液体金属为共晶镓铟或镓铟锡合金；所述聚合物为铂催化硅橡胶、聚二甲基硅氧烷或硅酮，并且所述聚合物包括液态预聚物和相配合的固化剂。
在本发明的一个实施例中，将一液体金属与一聚合物的液态预聚物按预定比例混合，形成混合溶液，包括：
将所述液体金属按比例添加至所述液态预聚物中并搅拌，形成混合溶液；
以1000-2000rpm的速度对所述液体金属与所述液态预聚物的混合溶液物理搅拌10-20min，以使所述液体金属与所述液态预聚物充分混合。
在本发明的一个实施例中，若所述聚合物为铂催化硅橡胶或硅酮，则所述液体金属与所述液态预聚物的混合质量比为1:4.5-18:1；若所述聚合物为聚二甲基硅氧烷，则所述液体金属与所述液态预聚物的混合质量比为1:9-9:1。
在本发明的一个实施例中，将一液体金属与一聚合物的液态预聚物按预定比例混合，形成混合溶液，包括：
将所述液态金属添加至分散溶液中；
在0-10℃下，以40w-60w的超声功率对处于所述分散溶液中的所述液体金属进行超声处理10min，得到纳米液体金属液滴；
将所述纳米液体金属液滴按预定比例加入所述液态预聚物中；
以1000-2000rpm的速度对所述液体金属与所述液态预聚物的混合溶液物理搅拌5-10min；
静置24h以上，使所述分散溶液挥发。
在本发明的一个实施例中，向所述混合溶液中添加固化剂，形成所述液体金属与所述聚合物的液态混合物，包括：
向所述混合溶液中添加与所述液态预聚物配合的固化剂，并继续搅拌5-20min，形成所述液体金属与所述聚合物的液态混合物。
在本发明的一个实施例中，将所述液态混合物渗入多孔结构模板中并固化，包括：
提供一具有均匀孔隙的多孔结构的水溶性模板；
在真空环境中将所述液态混合物均匀填充到所述水溶性模板的孔隙中；
加热固化所述液态混合物，形成固化后混合物与所述水溶性模板的填充结构。
在本发明的一个实施例中，溶解所述多孔结构模板，形成具有可变介电常数的固态多孔结构介电材料，包括：
将固化后的混合物与所述水溶性模板形成的填充结构放置到溶解液中，使所述水溶性模板溶解，形成具有可变介电常数的固态多孔结构介电材料。
本发明的另一方面提供了一种多孔结构介电材料，所述多孔结构介电材料采用液体金属和聚合物，由上述实施例中任一项所述的制备方法制成。
本发明的再一方面提供了一种基于多孔结构介电材料的电容式压力传感器，其特征在于，包括两个电极板和位于所述两个电极板之间的柔性介电层，其中，所述柔性介电层由上述实施例中任一项所述的多孔结构介电材料制成。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明的多孔结构介电材料由液体金属与聚合物按预定比例混合，该介电材料具有较高的介电常数与良好的柔性，且在受压情况下介电常数会发生明显变化，适用于电容式压力传感器的介电层。
2、本发明的多孔结构介电材料具有可变的介电常数与良好的柔性，相比传统基于聚合物材料的柔性电容传感器，基于该混合材料的柔性电容传感器可以具有更高的灵敏度与信噪比。
3、本发明的介电材料具有多孔结构，其密度较低，可应用于如航天航空，可穿戴设备等对质量较为敏感的领域。此外，该材料具有很好的柔性与可压缩性，可用于弯曲界面及狭小空间中。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种多孔结构介电材料的制备方法流程图；
图2是本发明实施例提供的一种多孔结构模板的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种液体金属聚合物的混合材料渗入多孔结构模板后的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种多孔结构介电材料的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种介电材料中液体金属体积分数与形成的介电材料的介电常数之间的关系曲线图；
图6是本发明实施例提供的一种多孔结构介电材料的机械性能曲线图；
图7是本发明实施例提供的一种多孔结构介电材料的介电常数与所受压力的关系曲线图；
图8是本发明实施例提供的一种基于多孔结构介电材料的电容式电压传感器的性能曲线图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种多孔结构介电材料及其制备方法、电容式压力传感器进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种多孔结构介电材料的制备方法流程图。
该多孔结构介电材料的制备方法包括：
S1：将一液体金属与一聚合物的液态预聚物按预定比例混合，形成混合溶液；
具体地，选取共晶镓铟或镓铟锡合金作为所述液体金属；选取铂催化硅橡胶(例如，Ecoflex)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或硅酮(例如，Dragon Skin10,20&30)作为所述聚合物，所述聚合物包括液态预聚物和相配合的固化剂。需要说明的是，本实施例使用的硅胶类聚合物材料(例如铂催化硅橡胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或硅酮等)在未混合之前包含两部分：预聚物及与之配合使用固化剂(交联剂)，将这两部分相混合后会保持一段时间的液态，随着时间的增加，混合物会逐渐变为固态，增加温度可以加快固化过程。在本实施例中，优选共晶镓铟作为所述液体金属组分。本实施例所选用的金属和聚合物在常温下均为液态。
所述液体金属与所述聚合物的预聚物在液态下混合，混合后的物质保持液体状态，即形成液体金属与液态预聚物的混合溶液。
具体地，在本实施例中，所述S1包括：
S11：将所述液体金属按比例添加至所述液态预聚物中并搅拌，形成混合溶液；
S12：以1000-2000rpm的速度对所述液体金属与所述液态预聚物的混合溶液物理搅拌10-20min，以使所述液体金属与所述液态预聚物充分混合。
进一步地，若所述聚合物为铂催化硅橡胶或硅酮，则所述液体金属与所述液态预聚物的混合质量比为1:4.5-18:3，优选比例为12:1。具体地，将共晶镓铟液体金属与铂催化硅橡胶(例如，Ecoflex)或硅酮(例如，Dragon Skin10,20&30)聚合物的液态预聚物以12:1的质量比混合均匀。
若所述聚合物为聚二甲基硅氧烷，则所述液体金属与所述液态预聚物的混合质量比为1:9-9:1，优选比例为6:1。具体地，将共晶镓铟液体金属与聚二甲基硅氧烷(PDMS)聚合物的液态预聚物以6:1的质量比混合均匀。
当选取上述优选比利时，可以保证制成的混合材料具有较高的介电常数，同时具有较好的柔性和可拉伸性。
替换性地，在其他实施例中，还可以使用超声震荡的方式对所述液体金属与所述聚合物的预聚物进行混合。
具体地，所述S1可以包括：
步骤1a：将所述液态金属添加至分散溶液中；
步骤1b：在0-10℃下，以40w-60w的超声功率对处于所述分散溶液中的所述液体金属进行超声处理10min，得到纳米液体金属液滴；
步骤1c：将所述纳米液体金属液滴按预定比例加入所述液态预聚物中；
步骤1d：以1000-2000rpm的速度对所述液体金属与所述液态预聚物的混合溶液物理搅拌5-10min；
步骤1e：静置24h以上，使所述分散溶液挥发，从而形成所述液体金属与所述液态预聚物的混合溶液。
所述分散溶液可选为乙醇、去离子水、甲苯等易挥发溶液。在0-10℃下液体金属呈现固态，可以通过超声分散制备出纳米级别的柔性导电填充材料。
S2：向所述混合溶液中添加固化剂，形成所述液体金属与所述聚合物的液态混合物；
具体地，向所述混合溶液中添加与混合溶液中预聚物相配合的固化剂并继续搅拌，形成均匀的金属聚合物的液态混合物。
应该理解的是，对于选定的硅胶类聚合物材料，其预聚物和固化剂的质量比通常是本领域公知的，例如对于PDMS，当其预聚物和固化剂的质量比为10:1时，固化后的聚合物材料最佳；对于铂催化硅橡胶和硅酮，当其预聚物和固化剂的质量比为1:1时，固化后的聚合物材料最佳。本实施例中选用每种聚合物材料预聚物和固化剂的通用推荐比例即可，这里不再赘述。优选地，可以在高温箱中进行适当加热，以加速固化过程。
S3：将所述液态混合物渗入多孔结构模板中并固化；
进一步地，所述S3包括：
S31：提供一具有均匀孔隙的多孔结构的水溶性模板；
具体在，所述水溶性模板可以是在常温或加热条件下可溶于水的糖模板或蜡模板。本实施例中使用糖模板，其可选地制备方法是：向砂糖中按质量比90：1加入水使砂糖润湿，将润湿后的砂糖放入模具中定型，烘干后可制得糖模板。请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种多孔结构模板的结构示意图。本实施例的糖模板的孔隙率为30％-70％。需要说明的是，糖模板孔隙率较高，所制备的液体金属聚合物混合材料泡沫孔隙率较低。孔隙率较低的液体金属聚合物混合材料泡沫在受压下介电常数变化不明显。糖模板孔隙率较底，所制备的液体金属聚合物混合材料泡沫孔隙率较高。孔隙率较高的液体金属聚合物混合材料泡沫在受压下介电常数变化更加明显。孔隙率过高会导致液体金属聚合物混合材料泡沫整体结构不稳定，因此糖模板孔隙率最低为30％。在本实施例中，所述糖模板中的孔隙整体连通。
S32：在真空环境中将所述液态混合物均匀填充到所述水溶性模板的孔隙中；
具体地，在S2中制备的金属聚合物的混合物未固化之前，在真空度为-2Pa的真空箱中，将所述液态混合物均匀充分地填充到所述糖模板的孔隙中。此时，所述液态混合物由于汽压和毛细作用渗入到糖模板中，并填充所述糖模板中的所有孔隙。请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种液体金属聚合物的混合材料渗入多孔结构模板后的结构示意图。
S33：加热固化所述液态混合物，形成固化后混合物与所述水溶性模板的填充结构。
具体地，将填充有液态混合物的糖模板静置一段时间，使得填充到糖模板中的液态混合溶液在所述固化剂的作用下固化，形成固态混合物。优选地，可以在高温箱中对填充有所述液态混合物的糖模板进行适当加热，以加速固化过程。值得注意的是，此时的加热温度不能超过糖的熔化温度，以防止所述液态混合溶液固化过程中糖模板的融化破坏。在本实施例中，所述固化温度为50℃。
S4：溶解所述多孔结构模板，形成具有可变介电常数的固态多孔结构介电材料。
具体地，将固化后的混合物与所述多孔结构的水溶性模板形成的填充结构放置到溶解液中，加热所述溶解液以溶解掉所述糖模板，形成具有均匀孔洞的固态混合材料。在本实施例中，所述溶解液为水，糖模板能够溶解在水中，而由金属和聚合物制成的混合材料不能溶于水，因此，当所述糖模板溶解完成之后，最终形成了具有均匀孔隙的固态混合材料。请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种多孔结构介电材料的结构示意图。
优选地，可以通过搅拌或加热来加速所述糖模板的溶解。
请参见图5，图5是本发明实施例提供的一种介电材料中液体金属体积分数与形成的介电材料的介电常数之间的关系曲线图。需要说明的是，测试过程中，所述液态金属组分为共晶镓铟，所述聚合物组分为铂催化硅橡胶(Ecoflex)。如图所示，随着液体金属质量分数φ的增大，混合材料整体的相对介电常数
Figure BDA0002192976460000101
逐渐提高。所述液体金属占所述混合材料的质量比可以为10％-95％。然而，过多的液体金属含量会影响形成的混合材料的柔性与可拉伸行，而过少的液体金属会导致形成的混合材料介电常数提升不明显。因此，在本实施例中，液体金属占整个混合溶液的质量分数为92％时，形成的混合材料性能更加均衡。
请参见图6，图6是本实施例制备的一种多孔结构介电材料的机械性能曲线图，由图6可以看出，随着混合材料中的液体金属含量的增大，形成的混合材料的杨氏模量逐渐增大。众所周知，杨氏模量越大，越不容易变形，因此，过多的液体金属含量会影响形成的混合材料的柔性与可拉伸行。
在本实施例中，选用所述聚合物为铂催化硅橡胶(Ecoflex)，所述液体金属为共晶镓铟，铂催化硅橡胶(Ecoflex)与共晶镓铟的质量比优选为6:1，该比例可以保证制成的混合材料具有较高的介电常数，同时具有较好的柔性和可拉伸性。
请参见图7，图7是本发明实施例提供的一种多孔结构介电材料的介电常数与所受压力的关系曲线图。如所示，液体金属聚合物形成的多孔结构介电材料在受压的过程中，多孔材料内部原有的空气会被高介电常数的混合材料所替代，导致材料整体介电常数的提高。
本实施例的多孔结构介电材料由液体金属与聚合物按预定比例混合，该介电材料具有较高的介电常数与良好的柔性，且在受压情况下介电常数会发生明显变化，适用于电容式压力传感器的介电层。
实施例二
在实施例一的基础上，本实施例提供了一种用于电容式压力传感器的多孔结构介电材料，所述多孔结构介电材料可以由实施例一所述的制备方法制成。
具体地，在本实施例中，选取共晶镓铟或镓铟锡合金作为所述液体金属；选取铂催化硅橡胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或硅酮作为所述聚合物，所述聚合物包括液态预聚物和相应的固化剂。
进一步地，所述液体金属占所述介电材料的总质量比为10％-95％。如实施例一和图5所示，随着液体金属体积分数的增大，所述介电材料整体的介电常数逐渐提高。然而，过多的液体金属含量会影响形成的混合材料的柔性与可拉伸行，而过少的液体金属会导致形成的混合材料介电常数提升不明显。因此，在本实施例中，液体金属占聚合物(包括预聚物和固化剂)的总质量比优选为6:1左右，以使得形成的混合材料性能更加均衡。
实施例三
在上述实施例的基础上，本实施例提供了一种基于多孔结构介电材料的电容式压力传感器，该电容式压力传感器包括两个电极板和位于所述两个电极板之间的柔性介电层，其中，所述柔性介电层由上述多孔结构介电材料制成。
请参见图8，图8是本发明实施例提供的一种基于多孔结构介电材料的电容式电压传感器的性能曲线图，其中，横坐标为压缩应力，纵坐标为电容相对变化量，C表示当前电容，C0表示初始电容。需要说明的是，测试过程中，所述液态金属组分为共晶镓铟，所述聚合物组分为铂催化硅橡胶(例如，Ecoflex)。从图8中可以看出，随着介电材料中液体金属质量分数的增加，基于该电容式电压传感器的压力灵敏度与信噪比均得到了提高。具体地，当液体金属聚合物的多孔结构介电材料受到压缩，具有较高介电常数的液体金属聚合物会代替原有多孔结构介电材料内介电常数较低的空气，导致整体介电常数上升，实现了压力灵敏度与信噪比的提高。
综上，本发明的多孔结构介电材料具有可变的介电常数与良好的柔性，相比传统基于聚合物材料的柔性电容传感器，基于该混合材料的柔性电容传感器可以具有更高的灵敏度与信噪比。此外，该介电材料具有多孔结构，其密度较低，可应用于如航天航空，可穿戴设备等对质量较为敏感的领域。此外，该材料具有很好的柔性与可压缩性，可用于弯曲界面及狭小空间中。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多孔结构介电材料的制备方法，其特征在于，包括：
将一液体金属与一聚合物的液态预聚物按预定比例混合，形成混合溶液；
向所述混合溶液中添加固化剂，形成所述液体金属与所述聚合物的液态混合物；
将所述液态混合物渗入多孔结构模板中并固化；
溶解所述多孔结构模板，形成具有可变介电常数的固态多孔结构介电材料。
2.根据权利要求1所述的多孔结构介电材料的制备方法，其特征在于，所述液体金属为共晶镓铟或镓铟锡合金；所述聚合物为铂催化硅橡胶、聚二甲基硅氧烷或硅酮，并且所述聚合物包括液态预聚物和相配合的固化剂。
3.根据权利要求2所述的多孔结构介电材料的制备方法，其特征在于，将一液体金属与一聚合物的液态预聚物按预定比例混合，形成混合溶液，包括：
将所述液体金属按比例添加至所述液态预聚物中并搅拌，形成混合溶液；
以1000-2000rpm的速度对所述液体金属与所述液态预聚物的混合溶液物理搅拌10-20min，以使所述液体金属与所述液态预聚物充分混合。
4.根据权利要求2所述的多孔结构介电材料的制备方法，其特征在于，若所述聚合物为铂催化硅橡胶或硅酮，则所述液体金属与所述液态预聚物的混合质量比为1:4.5-18:1；若所述聚合物为聚二甲基硅氧烷，则所述液体金属与所述液态预聚物的混合质量比为1:9-9:1。
5.根据权利要求2所述的多孔结构介电材料的制备方法，其特征在于，将一液体金属与一聚合物的液态预聚物按预定比例混合，形成混合溶液，包括：
将所述液态金属添加至分散溶液中；
在0-10℃下，以40w-60w的超声功率对处于所述分散溶液中的所述液体金属进行超声处理10min，得到纳米液体金属液滴；
将所述纳米液体金属液滴按预定比例加入所述液态预聚物中；
以1000-2000rpm的速度对所述液体金属与所述液态预聚物的混合溶液物理搅拌5-10min；
静置24h以上，使所述分散溶液挥发。
6.根据权利要求1所述的多孔结构介电材料的制备方法，其特征在于，向所述混合溶液中添加固化剂，形成所述液体金属与所述聚合物的液态混合物，包括：
向所述混合溶液中添加与所述液态预聚物配合的固化剂，并继续搅拌5-20min，形成所述液体金属与所述聚合物的液态混合物。
7.根据权利要求1所述的多孔结构介电材料的制备方法，其特征在于，将所述液态混合物渗入多孔结构模板中并固化，包括：
提供一具有均匀孔隙的多孔结构的水溶性模板；
在真空环境中将所述液态混合物均匀填充到所述水溶性模板的孔隙中；
加热固化所述液态混合物，形成固化后混合物与所述水溶性模板的填充结构。
8.根据权利要求7所述的多孔结构介电材料的制备方法，其特征在于，溶解所述多孔结构模板，形成具有可变介电常数的固态多孔结构介电材料，包括：
将固化后的混合物与所述水溶性模板形成的填充结构放置到溶解液中，使所述水溶性模板溶解，形成具有可变介电常数的固态多孔结构介电材料。
9.一种多孔结构介电材料，其特征在于，所述多孔结构介电材料采用液体金属和聚合物，由权利要求1至8中任一项所述的制备方法制成。
10.一种基于多孔结构介电材料的电容式压力传感器，其特征在于，包括两个电极板和位于所述两个电极板之间的柔性介电层，其中，所述柔性介电层由权利要求9所述的多孔结构介电材料制成。
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