CN111336912B - 一种传感性能可调的柔性应变传感器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种传感性能可调的应变传感器的制备方法，是将碳纳米管分散液抽滤制得碳纳米管薄膜，将其与弹性体进行固化复合制成单面导电柔性基底；再对预拉伸状态下的柔性基底进行电沉积铜薄膜，之后回复到自由状态制备出微结构可调的铜/柔性基底复合薄膜；将两根铜导线分别连接在复合薄膜两端然后再用弹性体对复合薄膜进行封装，制备出传感性能可调的柔性应变传感器。本发明所制备的传感器是由单面导电柔性基底和电沉积的铜薄膜组成，可以实现灵敏度和线性度可调节、应变监测范围宽的特点，可应用于柔性可穿戴、结构健康监测以及重力测试技术等领域。

Description

一种传感性能可调的柔性应变传感器的制备方法
技术领域
本发明属于复合材料柔性传感器制备技术领域，涉及为一种灵敏度和线性度可调节、应变监测范围宽的柔性应变传感器的制备方法。
背景技术
随着社会的发展和进步，微型化和智能化的应变传感器在我们的生活中随处可见。与传统的基于金属和半导体材料的应变传感器相比，柔性应变传感器克服了其脆性的缺点，具有柔韧性和可拉伸性，在人体健康监测、结构健康监测以及重力测试等领域有着巨大的潜力。柔性传感器主要由柔性聚合物基底与导电传感材料组成。其中可制备柔性基底的聚合物有:聚酯、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷和天然橡胶等材料。传感材料作为柔性传感器的核心部分，迄今为止已使用碳纳米材料(碳纳米管、石墨烯和炭黑)和金属纳米材料(金属纳米线和金属纳米颗粒)等制备了不同的传感器。特别是碳纳米管作为一种重要的新型材料，以其优异的导电性和力学性能，被广泛应用于制备高性能的应变传感器。如何兼具高灵敏度和宽应变检测范围是柔性传感器发展中面临的重要挑战。然而获得高灵敏度需要传感器在小的应变下发生显著的结构变化，而宽应变监测范围则要求传感器在大应变下仍能保持结构完整性，通常这二者相互制约，难以兼得。目前的柔性传感器主要采用两种制备策略来实现宽应变监测范围和高的灵敏度，一种是采用特殊结构，一种是引入新型传感材料。然而按照上述两种方法制备的传感器的结构单一，传感器的传感性能难以调节，使传感器的实际应用受到严重的限制。
发明内容
本发明提供了一种微观结构可调节的柔性应变传感器的方法，该方法可以制备出灵敏度和线性度可调的宽应变监测范围的应变传感器。
一种传感性能可调的应变传感器的制备方法，步骤如下：
将碳纳米管的分散液经过抽滤得到碳纳米管薄膜，置于模具中；将液态弹性体与固化剂按照25:1～1:1的比例混合滴入到模具中，在室温下静置10～30分钟后放入烘箱中，待完全固化后剥离，制备出单面导电(裸露碳纳米管薄膜的表面)的柔性基底。
使用夹具对柔性基底施加预应变并将其用做电解池的阴极，铜板作为阳极，将基底导电的一面正对着铜板进行电沉积，然后卸掉夹具使柔性基底回复到自由状态得到铜/柔性基底复合薄膜。电沉积过程中对柔性基底施加的预应变为5％～100％，电沉积时间为1～30分钟，电流密度为1～10A/m2，电解溶液为1～2mol/L的CuSO4·5H2O和少量的H2SO4。
采用导电银胶或导电胶带将两根铜导线分别连接在复合薄膜两端，然后用弹性体对复合薄膜进行封装，制备出柔性应变传感器。
所述的碳纳米管分散液可采取超声、磁力搅拌、离心等分散方法制得，碳纳米管薄膜厚度为10～300μm。
所述的弹性体可以是聚二甲基硅氧烷、热塑性聚氨酯或硅橡胶等任意一种。
本发明可以制备微结构不同的电沉积铜膜，所制备的传感器是由单面导电柔性基底和电沉积的铜膜组成，可以实现灵敏度和线性度可调节、应变监测范围宽的特点，应用于柔性可穿戴、结构健康监测以及重力测试等技术领域。
附图说明
图1为制备的铜/柔性基底复合薄膜示意图。
图2为制备出的铜/柔性基底复合薄膜的激光扫描共聚焦显微镜照片。
图3为制备出的柔性应变传感器的电阻变化率与应变的关系图。
图中：1弹性体；2碳纳米管薄膜；3电沉积的铜薄膜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详述本发明。
实施例1
将500mg碳纳米管加入1000mL去离子水中，利用超声波破碎仪在100W条件下超声分散10分钟。再将溶液倒入离心机中，以6000r/min的速率离心30分钟，重复超声分散和离心分散3次得到碳纳米管分散液。对碳纳米管分散液进行抽滤，制得厚度为30μm的碳纳米管薄膜，按照3×10mm2尺寸裁剪所制备的碳纳米管薄膜，并将其置于模具中，将液体聚二甲基硅氧烷与固化剂以10:1的质量比混合滴入到模具中，在室温下静置30分钟，然后再放入烘箱中于70℃下固化2小时后剥离，制备出单面导电柔性基底。使用夹具对柔性基底施加10％的预应变并将其用做电解池的阴极，铜板作为阳极，电流密度为3A/m2，电解溶液为1mol/L的CuSO4·5H2O和少量的H2SO4，电沉积时间为5分钟；卸掉夹具使柔性基底回复到自由状态，制备出铜/柔性基底复合薄膜。采用导电银胶或导电胶带将两根铜导线分别连接在复合薄膜两端，最后将聚二甲基硅氧烷与固化剂以10:1的质量比混合涂覆在复合薄膜表面对其进行封装，置于烘箱中70℃下固化2小时制备出柔性应变传感器。
制备的铜/柔性基底复合薄膜用激光扫描共聚焦显微镜进行观察，可以看到电沉积的铜薄膜具有褶皱结构如图2所示。经过测试，制备出柔性应变传感器的灵敏度为263～2600，应变监测范围为0～82％如图3(a)所示。
实施例2
与实施例1不同之处在于使用夹具对柔性基底施加20％的预应变进行电沉积铜薄膜。制备的铜/柔性基底复合薄膜用激光扫描共聚焦显微镜进行观察，可以看到电沉积的铜薄膜具有叠层结构。经过测试，制备出柔性应变传感器的灵敏度为36～122，应变监测范围为0～74％如图3(b)所示。
实施例3
与实施例1不同之处在于使用夹具对柔性基底施加30％的预应变进行电沉积铜薄膜。制备的铜/柔性基底复合薄膜用激光扫描共聚焦显微镜进行观察，可以看到电沉积的铜薄膜具有卷曲结构。经过测试，制备出柔性应变传感器的灵敏度为24，应变监测范围为0～84％，并且在整个应变监测范围呈线性，线性度高达99.3％如图3(c)所示。

Claims (2)

1.一种传感性能可调的应变传感器的制备方法，其特征在于：
将碳纳米管分散液经过抽滤得到碳纳米管薄膜，置于模具中；将液态弹性体与固化剂按照25:1～1:1的比例混合后滴入到模具中，在室温下静置10～30分钟后放入烘箱中，待完全固化后剥离，制备出单面导电的柔性基底；
使用夹具对柔性基底施加预应变并将其用做电沉积的阴极，铜板作为阳极，将基底导电的一面正对着铜板进行电沉积，然后卸掉夹具使柔性基底回复到自由状态，得到铜/柔性基底复合薄膜；
电沉积过程中对柔性基底施加的预应变为5％～100％，电沉积时间为1～30分钟，电流密度为1～10A/m2，电解溶液为1～2mol/L的CuSO4·5H2O和少量的H2SO4；
采用导电银胶或导电胶带将两根铜导线分别连接在复合薄膜两端，然后用弹性体对复合薄膜进行封装，制备出柔性应变传感器；
所述的弹性体是聚二甲基硅氧烷、热塑性聚氨酯或硅橡胶。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的碳纳米管分散液采取超声、磁力搅拌或离心制得，碳纳米管薄膜厚度为10～300μm。
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