CN110954230B - 一种柔性热电偶温度传感器及其制备方法 - Google Patents

一种柔性热电偶温度传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种柔性热电偶温度传感器及其制备方法，所述柔性热电偶温度传感器由柔性基底、柔性薄膜组装而成。具体包括：将P型薄膜、N型薄膜分别组装在柔性基底的两表面，一端用导电银浆连接作为测温端，另一端分别引出两根导线作为参考端，即得。本发明制备的柔性温度传感器具有结构简单、制备方便、响应速度快、易于操作的特点。

Description

一种柔性热电偶温度传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于热电测温材料及其制备领域，特别涉及一种柔性热电偶温度传感器及其制备方法。
背景技术
热电偶温度传感器是由两种不同材质的导体或半导体构成，当测温端的温度和参考端的温度不同时，会在回路中产生一个电动势，即为热电势，不同的温度差对应不同的热电势，从而达到测温的目的。温度传感器在工业、航空航天、智能工程等方面具有广泛的用途。
传统的热电偶温度传感器以刚性导体或半导体材料为测温元件，通过焊接技术将两种材质的导体或半导体焊接在一起。所以，传统温度传感器具有刚性、不易弯折等缺点，在很多复杂的应用环境中难以准确测温，如曲面或不均匀异型面等。而柔性热电偶温度传感器完全弥补了传统热电偶温度传感器的不足之处，且其温度响应快。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种柔性热电偶温度传感器及其制备方法，不同于现有技术(CN106744820A)制备的复合薄膜的分层结构，分层结构中电子优先在CNTs中传输，而不经过金属硫族化合物，所以分层结构对提高材料的热电性能作用不明显。本发明制备的复合薄膜的各组分间均匀分布，构成一个统一整体，可以有效提高薄膜的柔性和电导率；此外，一步成膜，简化了现有技术的成膜步骤。本发明将P型薄膜和N型薄膜组装在柔性基底上得到热电偶温度传感器。
本发明的一种柔性复合材料，所述复合材料包括P型热电薄膜、柔性基底、N型热电薄膜，其中P型热电薄膜、N型热电薄膜分别组装在柔性基底的上下表面。
所述P型热电薄膜为Bi2Te3/CNTs；N型热电薄膜为MXene/CNTs；柔性基底为聚酰亚胺薄膜。
本发明的一种柔性复合材料的制备方法，包括：
(1)将Bi2Te3纳米片和CNTs分散在去离子水中，得到Bi2Te3/CNTs混合分散液，然后真空抽滤成膜，得到复合薄膜，热处理，得到P型热电薄膜Bi2Te3/CNTs；
(2)将MXene分散液加入CNTs分散液中，得到MXene/CNTs混合分散液，抽滤，得到N型热电薄膜MXene/CNTs；
(3)将P型热电薄膜和N型热电薄膜分别组装在柔性基底的上下表面，得到柔性复合材料。
所述步骤(1)中混合分散液中Bi2Te3和CNTs的质量比为5:1～1:1。
所述步骤(1)中热处理具体为：热处理气氛为Ar气，将复合薄膜放于坩埚中，置于管式炉内，通入Ar气，并升温至400～600℃，气流速度为100～300mL/min，升温速率为3～5℃/min，保温0.5-2h后自然冷却至室温。
所述步骤(2)中CNTs分散液的浓度为0.5～2mg/mL；MXene分散液的浓度为2～8mg/mL。
所述步骤(2)中混合分散液中Mxene和CNTs的质量比为5:1～1:1。
所述步骤(1)、(2)中抽滤压强独立地选自0.06～0.1MPa。
本发明提供一种所述方法制备的柔性复合材料。
本发明提供一种热电偶温度传感器，将所述柔性复合材料中柔性P、N型薄膜的一端用导电银浆连接，另一端分别引出一根导线并固定。
进一步，将所述柔性复合材料中的P、N型热电薄膜的一端接触点端用导电银浆连接作为测温端，另一端分别引出一根导线作为参考端。
所述导线为银丝。
本发明还提供一种柔性热电偶温度传感器的制备方法，具体为：将P型热电薄膜和N型热电薄膜分别组装在柔性基底的上下表面，其中，一端用导电银浆连接，另一端分别引出一根导线，置于60～80℃的烘箱中烘干，即得。
有益效果
(1)本发明将P型薄膜和N型薄膜组装在柔性基底上，整体提升了温度传感器的柔韧性，运用在服装上具有良好的贴合效果；
(2)本发明制备过程简单，环保无污染，且成本低廉；
(3)本发明制备的温度传感器体积小、易弯折、温度响应速度快，在可穿戴领域和工业领域具有重要的科学价值和广阔的应用前景。
附图说明
图1为柔性热电偶温度传感器的结构示意图，其中a为传感器各组分示意图，b为传感器侧面结构示意图；
图2为Bi2Te3/CNTs薄膜和MXene/CNTs薄膜的扫描电镜图；其中a为Bi2Te3/CNTs薄膜，b为MXene/CNTs薄膜的扫描电镜图；
图3为温度传感器的温度和热电势的关系图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Figure BDA0002291667040000031
实施例1
(1)称取50mg的Bi2Te3粉末和10mg的CNTs共同分散于50mL去离子水中，混合均匀后在0.06MPa的压强下抽滤成膜，将抽滤得到的薄膜放于坩埚中，置于管式炉内，以100mL/min的速度持续不断的通入Ar气，并以3℃/min的速度升温至400℃，保温2h后自然冷却至室温，得到Bi2Te3/CNTs复合的P型薄膜；
取浓度为2mg/mL的MXene分散液25mL、浓度为1mg/mL的CNTs分散液10mL，混合均匀后在0.06MPa的压强下抽滤成膜，得到N型薄膜。
(2)选取聚酰亚胺薄膜作为柔性基底，将柔性P型薄膜、N型薄膜分别组装于柔性基底的两表面；P型薄膜和N型薄膜接触的一端用导电银浆连接；另一端分别引出一根导电银丝，并用导电银浆固定，置于60℃的真空烘箱中1h，烘干即得。
如图1所示，柔性热电偶温度传感器的结构示意图，其中a为传感器各组分示意图，b为传感器侧面结构示意图。
实施例2
(1)称取60mg的Bi2Te3粉末和20mg的CNTs共同分散于60mL的去离子水中，混合均匀后在0.08MPa的压强下抽滤成膜，将抽滤得到的薄膜放于坩埚中，置于管式炉内以200mL/min的速度持续不断的通入Ar，并以4℃/min的速度升温至500℃，保温2h后自然冷却至室温，得到Bi2Te3/CNTs复合的P型薄膜。
取浓度为4mg/mL的MXene分散液15mL、浓度为1mg/mL的CNTs分散液20mL，混合均匀后在0.08MPa的压强下抽滤成膜，得到N型薄膜。
(2)选取聚酰亚胺膜为柔性基底，将P型薄膜和N型薄膜分别组装在柔性基底两表面上，柔性P型薄膜和N型薄膜接触的一端用导电银浆连接；另一端分别引出一根导电银丝，并用导电银浆固定，置于70℃的正空烘箱中1h，烘干即得。
如图2所示，Bi2Te3/CNTs薄膜和MXene/CNTs薄膜的扫描电镜图；其中a为Bi2Te3/CNTs薄膜的扫描电镜图，b为MXene/CNTs薄膜的扫描电镜图，可以看出，碳纳米管包裹着Bi2Te3纳米片和MXene并形成层状结构。
实施例3
(1)称取50mg的Bi2Te3粉末和20mg的CNTs共同分散于50mL的去离子水中，混合均匀后在0.1MPa的压强下抽滤成膜，将抽滤得到的薄膜放于坩埚中，置于管式炉内以200mL/min的速度持续不断的通入Ar，并以4℃/min的速度升温至500℃，保温2h后自然冷却至室温，得到Bi2Te3/CNTs复合的P型薄膜。
取浓度为8mg/mL的MXene分散液5mL、浓度为2mg/mL的CNTs分散液10mL，混合均匀后在0.1MPa的压强下抽滤成膜，得到N型薄膜。
(2)选取聚酰亚胺膜为柔性基底，将P型薄膜和N型薄膜分别组装于柔性基底的两表面，柔性P型薄膜和N型薄膜接触的一端用导电银浆连接；另一端分别引出一根导电银丝，并用导电银浆固定，置于80℃的真空烘箱中1h，烘干即得。
测试时，将所制备的柔性热电偶温度传感器测温端温度范围为25℃-100℃，参考端置固定为25℃。如图3所示，温度传感器的温度和热电势的关系图，通过计算得到的线性方程为E＝3.897*10-5ΔT-2.183*10-5，R2＝0.998，其中E为热电势，ΔT为温度差。本发明与CN106744820A属于不同器件，且本发明中的温差与热电势成线性关系(如图3所示)，CN106744820A中没有明确给出温差与电势的关系。

Claims (11)

1.一种柔性复合材料，其特征在于，所述复合材料包括P型热电薄膜、柔性基底、N型热电薄膜，其中P型热电薄膜、N型热电薄膜分别组装在柔性基底的上下表面；其中所述P型热电薄膜为Bi2Te3/CNTs；N型热电薄膜为MXene/CNTs；柔性基底为聚酰亚胺薄膜。
2.一种柔性复合材料的制备方法，包括：
(1)将Bi2Te3纳米片和CNTs分散在去离子水中，得到Bi2Te3/CNTs混合分散液，然后真空抽滤成膜，得到复合薄膜，热处理，得到P型热电薄膜Bi2Te3/CNTs；
(2)将MXene分散液加入CNTs分散液中，得到MXene/CNTs混合分散液，抽滤，得到N型热电薄膜MXene/CNTs；
(3)将P型热电薄膜和N型热电薄膜分别组装在柔性基底的上下表面，得到柔性复合材料。
3.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中混合分散液中Bi2Te3和CNTs的质量比为5:1～1:1。
4.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中热处理具体为：热处理气氛为Ar气，将复合薄膜放于坩埚中，置于管式炉内，通入Ar气，并升温至400～600℃，气流速度为100～300mL/min，升温速率为3～5℃/min，保温0.5-2h后自然冷却至室温。
5.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中CNTs分散液的浓度为0.5～2mg/mL；MXene分散液的浓度为2～8mg/mL。
6.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中混合分散液中Mxene和CNTs的质量比为5:1～1:1。
7.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)、(2)中抽滤压强独立地选自0.06～0.1MPa。
8.一种权利要求2所述方法制备的柔性复合材料。
9.一种热电偶温度传感器，其特征在于，将权利要求1所述柔性复合材料中的P、N型热电薄膜的一端用导电银浆连接作为测温端，另一端分别引出一根导线作为参考端。
10.根据权利要求9所述传感器，其特征在于，所述导线为银丝。
11.一种权利要求9所述热电偶温度传感器的制备方法，具体为：将P型热电薄膜和N型热电薄膜分别组装在柔性基底的上下表面，其中，一端用导电银浆连接，另一端分别引出一根导线，置于60～80℃的烘箱中烘干，即得。
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