CN111012545A - 一种恒温电子皮肤及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子皮肤技术领域，具体涉及一种恒温电子皮肤及其制备方法和应用。本恒温电子皮肤包括隔热层、储热层和导热层，隔热层接触连接储热层，储热层接触连接导热层，隔热层为下端开口的凹槽结构，储热层位于凹槽内，导热层覆盖在隔热层的下端面和储热层的下表面，隔热层为隔热硅胶，储热层为液态金属，导热层为导热硅胶。本发明提供的恒温电子皮肤能维持温度恒定，使用舒适度较好，其制备方法能够将液态金属完全封装在隔热硅胶和导热硅胶的内部，防止液态金属的泄露，使液态金属可以实现恒温吸收热量。该恒温电子皮肤不仅可以用于人体皮肤表面，还能够作为摩擦纳米发电机，用于设备供电和信号传感。

Description

一种恒温电子皮肤及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于电子皮肤技术领域，具体涉及一种恒温电子皮肤及其制备方法和应用。

背景技术

电子皮肤是一种通过使用材料加工技术制造的类人体皮肤，目的是为了通过现代电子技术来实现对人体皮肤功能的模拟和拓展，传统的电子皮肤技术侧重于实现对人体皮肤触觉和感知系统的模拟。传统的电子皮肤不具有像人体皮肤一样可以调控温度的功能，传统的电子皮肤贴附在人体皮肤表面，会随着外界温度以及皮肤自身的升温而导致皮肤温度的变化，将会影响电子皮肤的舒适度。传统的电子皮肤一般是电容式的或者电阻式的，需要外接电源来实现电子皮肤对人体皮肤触觉的模拟，从而实现传感的功能。因此，需要设计一款能够模拟人体皮肤调节温度功能、并具有自供电传感功能的电子皮肤。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够维持电子皮肤温度恒定、使用舒适度较好的恒温电子皮肤，同时提供其制备方法，该恒温电子皮肤不仅可以用于人体皮肤表面，还能够作为摩擦纳米发电机。

基于上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种恒温电子皮肤，包括隔热层、储热层和导热层，隔热层接触连接储热层，储热层接触连接导热层，隔热层为下端开口的凹槽结构，储热层位于凹槽内，导热层覆盖在隔热层的下端面和储热层的下表面。

进一步地，所述的隔热层为隔热硅胶。

进一步地，所述的储热层为液态金属。

进一步地，所述的导热层为导热硅胶。

进一步地，所述的储热层内部紧固有铜线，铜线的另一端延长至隔热层外部。

进一步地，所述的液态金属为镓铟锡的共晶合金，镓、铟、锡的掺杂比例为9.5～9.6g∶0.1～0.2g∶0.1～0.2g。

一种恒温电子皮肤的制备方法，所述的恒温电子皮肤由以下步骤制得：

（1）向带有凸板的模具中注入隔热硅胶溶液，加热使隔热硅胶凝固，制成带有凹槽的隔热硅胶；

（2）向隔热硅胶的凹槽内注入呈液体状态的液态金属，并降温使液态金属凝固；

（3）使用导热硅胶对液态金属进行封装。

一种恒温电子皮肤的应用，所述的恒温电子皮肤用于摩擦纳米发电机：隔热硅胶作为摩擦层，液态金属作为导电层，导热硅胶封装液体金属，经由铜线将电信号输出。

一种恒温电子皮肤的应用，所述的恒温电子皮肤用于设备供电和信号传感。

本发明所提供的恒温电子皮肤及其制备方法和应用，具有以下有益效果：

（1）本发明恒温电子皮肤能够用于人体皮肤表面，其隔热层为隔热硅胶，隔热硅胶的导热率较低，为0.16~0.24W/(m*k)，能够减少外界向恒温电子皮肤传递热量；储热层为液态金属，液态金属具有高导热率和高储能密度，分别为30~32W/(m*k)和80~81.2J/g，可以储存外界和人体皮肤所产生的热量；导热层为导热硅胶，导热硅胶的导热率为1.5~2W/(m*k)，人体皮肤的导热率为0.2~0.4W/(m*k)，导热硅胶的导热率高于人体皮肤的导热率，能将人体产生的热量向外传递。一方面，当外界温度高于恒温电子皮肤的温度时，热量由外向内传递给隔热硅胶，隔热硅胶能阻隔大部分热量，将少许热量传递到液态金属，液态金属会吸收传递的热量并储存为潜热，从而保持该恒温电子皮肤的温度不变。另一方面，由于人体运动等原因出现人体皮肤向外散热时，导热硅胶可将大部分热量传递给液态金属并储存为潜热，维持该恒温电子皮肤温度的恒定。

（2）本发明恒温电子皮肤中液态金属为镓铟锡的共晶合金，其具有优异的导热性、导电性，化学性质稳定，常温下不与空气或水反应，不易挥发，安全无毒，在室温下呈固态，熔点会根据三种金属的掺杂比例不同而发生改变，本发明中镓铟锡三种金属的掺杂比例为9.5～9.6g∶0.1～0.2g∶0.1～0.2g，熔点为31～32°C，也是人体皮肤的最适温度，在低于熔点温度时升高温度，液态金属会吸收大量热量，在液态金属发生由固态变为液态的相变时，液态金属会持续吸收热量而温度却能保持不变，进而能够维持该恒温电子皮肤的温度恒定，使用舒适度较好。

（3）本发明的制备方法得到的恒温电子皮肤能够将液态金属完全封装在隔热硅胶和导热硅胶的内部，防止液态金属的泄露，使液态金属可以实现恒温吸收热量。

（4）本发明恒温电子皮肤具有自供电传感功能，可作为摩擦纳米发电机，隔热硅胶作为摩擦纳米发电机的摩擦层，液态金属作为摩擦纳米发电机的导电层，当衣服或者人手接触摩擦层时，由于摩擦起电和静电感应的原理，每一个接触分离周期都会产生两次交流电信号，经过铜线将电信号传出，还可用于设备供电或者信号传感。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的A-A向剖视结构示意图；

图3为液态金属的差式扫描量热法（DSC）图。

图中∶1、隔热硅胶；2、液态金属；3、导热硅胶；4、铜线。

具体实施方式

以下结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的内容并不限于此。

实施例1

如图1-3所示，本发明公开了一种恒温电子皮肤，包括隔热层、储热层和导热层，隔热层接触连接储热层，储热层接触连接导热层。隔热层为隔热硅胶1，隔热硅胶1为下端开口的凹槽结构，隔热硅胶1的导热率较低，能够减少外界向恒温电子皮肤传递热量。储热层为液态金属2，液态金属2位于凹槽内，液态金属2为镓铟锡的共晶合金，镓、铟、锡的掺杂比例为9.55g∶0.15g∶0.15g，从图3上可以看出，液态金属2的熔点为31.48℃、储能密度为80.18J/g，液态金属2具有高导热率和高储能密度，可以储存外界和皮肤所产生的热量。导热层为导热硅胶3，导热硅胶3覆盖在隔热硅胶1的下端面和液态金属2的下表面，导热硅胶3的导热率高于人体皮肤的导热率，能将人体产生的热量向外传递。液态金属2内部紧固有铜线4，铜线4的另一端延长至隔热硅胶1外部，铜线4可作为电信号传出端，用于设备供电或者信号传感。

恒温电子皮肤由以下步骤制得：

（1）将硅胶AB液按照1∶1混合，使用磁力搅拌机在500r/min下搅拌15min，制成隔热硅胶1溶液，将制备好的隔热硅胶1溶液置于带有凸板的模具中。

（2）将隔热硅胶1和模具一起放入恒温干燥箱中，80℃条件下干燥3h，使隔热硅胶1完全固化，将制备好的隔热硅胶1薄膜从模具中剥离，隔热硅胶1呈现出下端部开口的凹槽结构。使用40℃的水浴加热液态金属30min，等液态金属2完全融化，向隔热硅胶1的凹槽中注入液态金属2，并放置入冰箱中20min使液态金属2凝固。

（3）在隔热硅胶1薄膜的下端部和液态金属2的下表面涂抹导热硅胶3进行封装，使导热硅胶3完全覆盖在液态金属2的下表面，室温下静置24h使导热硅胶3成型。

在使用时，当外界温度高于恒温电子皮肤的温度时，热量由外向内传递给隔热硅胶1，隔热硅胶1能阻隔大部分热量，将少许热量传递到液态金属2，液态金属2会吸收传递的热量并储存为潜热，从而保持该恒温电子皮肤的温度不变。另外，由于人体运动等原因出现人体皮肤向外散热时，导热硅胶3可将大部分热量传递给液态金属2并储存为潜热，维持该恒温电子皮肤温度的恒定。

实施例2

如图1-3所示，本发明公开了一种恒温电子皮肤，该恒温电子皮肤可用于摩擦纳米发电机，隔热硅胶1作为摩擦层，液态金属2作为导电层，导热硅胶3封装液体金属，经由铜线4将电信号输出。

Claims (9)

1.一种恒温电子皮肤，其特征在于，包括隔热层、储热层和导热层，隔热层接触连接储热层，储热层接触连接导热层，隔热层为下端开口的凹槽结构，储热层位于凹槽内，导热层覆盖在隔热层的下端面和储热层的下表面。

2.根据权利要求1所述的恒温电子皮肤，其特征在于，所述的隔热层为隔热硅胶。

3.根据权利要求1所述的恒温电子皮肤，其特征在于，所述的储热层为液态金属。

4.根据权利要求1所述的恒温电子皮肤，其特征在于，所述的导热层为导热硅胶。

5.根据权利要求1所述的恒温电子皮肤，其特征在于，所述的储热层内部紧固有铜线，铜线的另一端延长至隔热层外部。

6.根据权利要求3所述的恒温电子皮肤，其特征在于，所述的液态金属为镓铟锡的共晶合金，镓、铟、锡的掺杂比例为9.5～9.6g∶0.1～0.2g∶0.1～0.2g。

7.一种根据权利要求4所述的恒温电子皮肤的制备方法，其特征在于，所述的恒温电子皮肤由以下步骤制得：

（1）向带有凸板的模具中注入隔热硅胶溶液，加热使隔热硅胶凝固，制成带有凹槽的隔热硅胶；

（2）向隔热硅胶的凹槽内注入呈液体状态的液态金属，并降温使液态金属凝固；

（3）使用导热硅胶对液态金属进行封装。

8.一种根据权利要求5所述的恒温电子皮肤的应用，其特征在于，所述的恒温电子皮肤用于摩擦纳米发电机：隔热硅胶作为摩擦层，液态金属作为导电层，导热硅胶封装液体金属，经由铜线将电信号输出。

9.一种根据权利要求5所述的恒温电子皮肤的应用，其特征在于，所述的恒温电子皮肤用于设备供电和信号传感。

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