CN112812342B - 一种聚合物薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents

一种聚合物薄膜及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚合物薄膜及其制备方法和应用，所述聚合物薄膜包括第一表面，所述第一表面上设置有若干个第一凸起结构，所述第一凸起结构的顶部分散有第一纳米纤维网络结构，所述第一纳米纤维网络结构所在平面垂直于或倾斜于所述第一凸起结构的凸起方向。本发明的聚合物薄膜的表面具有多层微纳复合结构，实现了摩擦电压力传感器垂直接触分离和横向滑移摩擦相结合的工作新机制，可大幅提高摩擦电压力传感器的电信号输出，提高灵敏度。

Description

一种聚合物薄膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及摩擦电压力传感器技术领域，尤其涉及一种聚合物薄膜及其制备方法和应用。
背景技术
随着分布式能源的普及和日益发展，基于摩擦电效应的压力传感器受到广泛的应用和关注。摩擦电压力传感是一种基于聚合物绝缘材料之间的摩擦电效应，将机械能转化为电信号，可用于人体脉搏、心率、血压及呼吸等生理信号监测的新型传感器件，由于其轻薄、便携、可集成以及自供电等特性受到了广泛的关注和研究，是未来智能穿戴设备的重要组成部分。由于摩擦电压力传感器的感应性能与聚合物接触界面的电荷密度成正比，增加电荷产生已成为提高输出功率的主要策略。聚合物薄膜作为摩擦起电的核心功能材料，其对电子的捕获能力以及表界面的结构形态是决定电信号输出的重要因素。因此，筛选合适的功能材料并通过低成本的批量生产技术在其表面制备出能够显著提高摩擦电输出功率的微纳结构，是实现摩擦电压力传感器商业级应用的重要前提条件，对智能穿戴式设备的发展具有重要意义。
相关技术通过光刻、等离子刻蚀等技术直接在聚合物材料表面制备微结构，该类方法不适用于批量生产。而通过模具间接地将微纳结构转印到聚合物材料表面虽然能够实现批量生产，但基于该类微纳结构的传感器器灵敏度还有待提高，且聚合物薄膜的制备工序通常比较复杂，成本较高。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种聚合物薄膜，能够避免现有摩擦电压力传感器功能材料表界面结构单调的问题，实现摩擦电压力传感器垂直接触分离和横向滑移摩擦相结合的工作新机制，显著提高摩擦电效应的电信号输出。
本发明还提供所述聚合物薄膜的制备方法和应用。
具体地，根据本发明的第一方面，提供一种聚合物薄膜，所述聚合物薄膜包括第一表面，所述第一表面上设置有若干个第一凸起结构，所述第一凸起结构的顶部设置有第一纳米纤维网络结构，所述第一纳米纤维网络结构所在平面垂直于或倾斜于所述第一凸起结构的凸起方向。
根据本发明第一方面的聚合物薄膜，至少具有如下有益效果：
本发明的聚合薄膜为多层次结构薄膜，表面同时设置有凸起结构和纳米纤维网络结构，其中凸起结构相较表面凸起，处于纵向；纳米纤维网络结构垂直或倾斜与凸起结构，处于横向。通过表面同时设置有纵向的凸起结构和横向的纳米纤维网络结构，可用于制作摩擦电压力传感器作为摩擦电压力传感器的摩擦界面。在受到外部负载时，摩擦电压力传感器的感应聚合物材料之间不仅具有纵向的接触摩擦，还具有纳米纤维网络结构与聚合物发生的横向滑移摩擦，两种摩擦电效应叠加，实现了摩擦电压力传感器垂直接触分离和横向滑移摩擦相结合的工作新机制，可大幅提高摩擦电压力传感器的电信号输出，提高灵敏度。
在本发明的一些实施方式中，所述第一凸起结构包括第一微米级凸起，所述第一微米级凸起设置在所述第一表面上。
在本发明的一些实施方式中，所述第一凸起结构还包括第一纳米级凸起，部分或全部所述第一微米级凸起上设置有一个或多个所述第一纳米级凸起。第一微米级凸起和第一纳米级凸起结合第一纳米纤维网络结构一起形成具有三种尺度的微纳复合结构，纳米级凸起可有效增加摩擦电压力传感器的起电层聚合物之间的有效接触面积，增加电荷输出，进一步提升传感器的灵敏度；同时可使得聚合物薄膜表面具有超疏水性，为摩擦电压力传感器提供干燥环境，提升摩擦电压力传感器的环境稳定性。
在本发明的一些实施方式中，所述第一微米级凸起的直径为5μm～25μm，高度与直径之比为0.8～1.2。
在本发明的一些实施方式中，相邻的两个所述第一微米级凸起之间的距离为25μm～30μm。
在本发明的一些实施方式中，所述第一微米级凸起为以下形状中的任意一种或多种：圆锥状、半球状、棱锥状、网格状。
在本发明的一些实施方式中，所述第一纳米级凸起的尺寸为100nm～500nm。
在本发明的一些实施方式中，所述第一纳米级凸起的尺寸约为300nm。
在本发明的一些实施方式中，所述第一纳米纤维网络结构由若干第一纳米纤维交织而成，所述第一纳米纤维的直径为100nm～700nm。
在本发明的一些实施方式中，所述聚合物薄膜还包括位于所述第一表面背面的第二表面，所述第二表面上设置有若干个第二凸起结构，所述第二凸起结构的顶部设置有第二纳米纤维网络结构；所述第二纳米纤维网络结构所在平面垂直于或倾斜于所述第二凸起结构的凸起方向。通过在第二表面上也设置凸起结构和纳米纤维网状结构，可得双面多层次复合结构的聚合物薄膜。
在本发明的一些实施方式中，所述第二凸起结构包括第二微米级凸起，所述第二微米级凸起设置在所述第二表面上。
在本发明的一些实施方式中，所述第二凸起结构还包括第二纳米级凸起，部分或全部所述第二微米级凸起上设置有一个或多个所述第二纳米级凸起。
在本发明的一些实施方式中，所述第二微米级凸起的直径为5μm～25μm，高度与直径之比为0.8～1.2。
在本发明的一些实施方式中，相邻的两个所述第二微米级凸起之间的距离为25μm～30μm。
在本发明的一些实施方式中，所述第二微米级凸起为以下形状中的任意一种或多种：圆锥状、半球状、棱锥状、网格状。
在本发明的一些实施方式中，所述第二纳米级凸起的尺寸为100nm～500nm。
在本发明的一些实施方式中，所述第二纳米级凸起的尺寸约为300nm。
在本发明的一些实施方式中，所述第二纳米纤维网络结构由若干第二纳米纤维交织而成，所述第二纳米纤维的直径为100nm～700nm。
在本发明的一些实施方式中，所述第二表面上的第二微米级凸起、第二纳米级凸起和第二纳米纤维的大小和形状与第一表面上的第一微米级凸起、第一纳米级凸起和第一纳米纤维的大小和形状相同或不同。
在本发明的一些实施方式中，所述聚合物薄膜的厚度为50μm～100μm。
在本发明的一些实施方式中，所述聚合物薄膜的制备材料包括聚四氟乙烯(PTFE)、可溶性聚四氟乙烯(PFA)、聚苯硫醚(PPS)、聚苯醚(PPO)、改性聚苯醚、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)中的至少一种。此类聚合物材料均具有一定结晶特性，可在形变、粘合力作用下形成纳米纤维；同时具有良好的疏水性能、耐热稳定性、抗腐蚀性，有助于提高摩擦电压力传感器的环境稳定性、耐热稳定性和耐候性。
在本发明的一些实施方式中，所述聚合物薄膜的制备材料为PTFE。PTFE材料具有带状结晶特性，可在形变、剪切力作用下形成纳米纤维。同时，PTFE具有优异的超疏水性能，可为摩擦电压力传感器提供干燥环境，提高环境稳定性；PTFE具有很高的玻璃化转变温度(120℃)，可提高摩擦电压力传感器的热稳定性；PTFE具有优异的抗腐蚀性，不溶于任何有机溶剂，可提高摩擦电压力传感器的耐候性；且PTFE具有优异的柔韧性，可提高摩擦电压力传感器的耐久性，并且有利于制作柔性的摩擦电压力传感器，用于可穿戴设备，拓宽摩擦电压力传感器的应用领域。此外，PTFE还具有低摩擦系数、极佳的压缩回强性和优良的抗蠕、冷流特性以及较高的抗拉强度。
根据本发明的第二方面，提出了上述聚合物薄膜的制备方法，包括如下步骤：将聚合物材料置于上模具和下模具之间，加热后进行加压成型，冷却脱模即得所述聚合物薄膜；所述上模具和/或下模具与所述聚合物材料的接触面设置有盲孔阵列。
根据本发明的第二方面的聚合物薄膜的制备方法，至少具有如下有益效果：
本发明采用上模具和/或下模具中的盲孔在聚合物薄膜表面制备得到凸起结构。同时，当采用高结晶度的聚合物材料时，聚合物材料的晶体具有规则的平行排列折叠结构，在受到拉伸负载时，其高分子链可轻易克服晶体之间的范德华力形成纤维结构。基于此原理，聚合物材料在经过模压成型制备凸起结构的过程中，拉伸应变较大的区域(凸起结构顶部)可进一步形成纳米纤维，从而通过单次成型工艺制备出由纵向的凸起结构以及横向的纳米纤维组成的多层次复合结构的聚合物薄膜。
在本发明的一些实施方式中，所述盲孔阵列中的盲孔为微米级盲孔。通过微米级盲孔，可在聚合物薄膜表面加压形成微米级凸起。
在本发明的一些实施方式中，部分或全部所述微米级盲孔的中设置有纳米级凹陷结构。在纳米级凹陷结构的作用下，在部分或全部微米级凸起上可形成纳米级凸起，通过一次成型工艺同时制备出微米级凸起、纳米级凸起和纳米纤维三种不同尺度的多层次微纳复合结构。
在本发明的一些实施方式中，所述纳米级凹陷结构可通过对所述微米级盲孔进行皮秒激光烧蚀得到。
在本发明的一些实施方式中，所述微米级盲孔的直径为5μm～25μm，高度与直径之比为0.8～1.2。
在本发明的一些实施方式中，所述微米级盲孔的直径约为5μm、10μm、15μm、20μm、25μm。
在本发明的一些实施方式中，所述微米级盲孔的高度与直径之比约为0.8、1.0、1.2。
在本发明的一些实施方式中，相邻的两个所述微米级盲孔之间的距离为25μm～30μm。
在本发明的一些实施方式中，所述微米级盲孔的形状为圆形、方形、多边形中的任意一种或多种。
在本发明的一些实施方式中，所述上模具和下模具中的任一模具与所述聚合物材料的接触面设置有盲孔阵列，另一模具与所述聚合物材料的接触面为光滑镜面。此时，可以制得具有单面多层次微纳复合结构的聚合物薄膜。
在本发明的一些实施方式中，所述上模具和下模具与所述聚合物材料的接触面都设置有具有盲孔阵列。此时，可以制得具有双面多层次微纳复合结构的聚合物薄膜。
在本发明的一些实施方式中，所述上模具和下模具中的微米级盲孔以及微米级盲孔中的纳米级凹陷结构的直径、高度、形状可以相同，也可以不相同。
在本发明的一些实施方式中，所述加热温度高于所述聚合物材料的玻璃化转变温度。例如，当所述聚合物材料为PTFE时，加热温度可选择130℃～280℃。
在本发明的一些实施方式中，所述加压成型所施加的压力大小为10MPa～100MPa。
在本发明的一些实施方式中，所述加压成型所施加的压力大小为40MPa～80MPa。
在本发明的一些实施方式中，所述加压成型的时间为1min～30min。
在本发明的一些实施方式中，所述加压成型的时间为5min～15min。
在本发明的一些实施方式中，所述冷却脱模具体为，在保持压力的状态下，当温度降至所述聚合物材料的玻璃化转变温度以下，将成型后的聚合物薄膜从上模具和下模具之间取出。
在本发明的一些实施方式中，所述聚合物材料置于上模具和下模具在使用前均需进行清洗、干燥。例如放入乙醇中进行超声清洗10min～30min，然后放入烘箱中干燥10min～30min。
在本发明的一些实施方式中，所述聚合物材料的厚度为1mm～3mm。
根据本发明的第三方面，提出了一种摩擦电压力传感器，所述摩擦电压力传感器包括上述聚合物薄膜。
根据本发明第三方面的摩擦电压力传感器，至少具有如下有益效果：
聚合物薄膜中的凸起结构可以实现垂直接触分离式摩擦电效应，尤其是纳米级凸起可充分增加摩擦电压力传感器的起电层聚合物之间的有效接触面积，增加电荷输出，进而提升传感器的灵敏度。另一方面，在微米级和纳米级凸起结构受到机械力作用产生变形和变形恢复的过程中，其顶部的纳米纤维可与聚合物界面产生横向的滑移摩擦，进一步提升了电荷输出和传感器的灵敏度。因此，本发明的摩擦电压力传感器可同时满足摩擦电效应的垂直接触分离和面内横向滑动两种工作机制，具有高灵敏度。
在本发明的一些实施方式中，所述摩擦电压力传感器包括依次层叠的第一电极层、第一绝缘层、所述聚合物薄膜、第二绝缘层和第二电极层，所述聚合物薄膜与所述第一绝缘层和/或第二绝缘层之间具有间隙。
在本发明的一些实施方式中，所述聚合物薄膜的设置有凸起结构和纳米纤维的一面或两面与所述第一绝缘层和/或第二绝缘层之间具有间隙。更具体地，当所述聚合物薄膜的第一表面设置有第一凸起结构和第一纳米纤维网络结构时，则与该第一表面相向的第一绝缘层或第二绝缘层与所述聚合物薄膜之间具有间隙；当所述第聚合物薄膜的第一表面设置有第一凸起结构和第一纳米纤维网络结构，同时所述聚合物薄膜的第二表面设置有第二凸起结构和第二纳米纤维网络结构，则所述聚合物薄膜与所述第一绝缘层之间、所述聚合物薄膜与所述第二绝缘层之间都具有间隙。
在本发明的一些实施方式中，所述聚合物薄膜与所述第一绝缘层和/或第二绝缘层之间还设置有间隔层，所述间隔层使所述聚合物薄膜与所述第一绝缘层和/或第二绝缘层之间形成间隙。
在本发明的一些实施方式中，所述第一绝缘层和第二绝缘层由不同于所述聚合物薄膜的聚合物材料制得。不同的聚合物材料之间可进行有效的摩擦，结合多层微纳复合结构提升绝缘层与聚合物薄膜之间产生的电荷密度。
在本发明的一些实施方式中，所述第一绝缘层和第二绝缘层独立地由包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯二甲酸乙二醇酯、聚苯二甲酸二烯丙酯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚甲醛、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚氨酯弹性体、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚异丁烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚甲醛苯酚、聚丙烯腈、聚丙烯腈氯乙烯、聚乙烯丙二酚碳酸盐、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、纤维素、丁二烯丙烯共聚物、乙基纤维素、纤维素乙酸酯、人造纤维、苯胺甲醛树脂、硅胶、氯丁橡胶和天然橡胶中的至少一种聚合物材料制得。
在本发明的一些实施方式中，所述第一电极层和第二电极层的厚度独立地为12μm～20μm。
在本发明的一些实施方式中，所述第一绝缘层和第二绝缘层的厚度独立地为70μm～80μm。
在本发明的一些实施方式中，所述间隔层的厚度为40μm～60μm。
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明的聚合物薄膜的表面具有多层微纳复合结构，实现了摩擦电压力传感器垂直接触分离和横向滑移摩擦相结合的工作新机制，可大幅提高摩擦电压力传感器的电信号输出，提高灵敏度。
本发明的制备方法通过一次成型工艺可同时制备出三种不同尺度的微纳复合结构，并使用激光雕刻加工模具，与传统的光刻、等离子刻蚀等技术相比，工艺简单，成本低，且可多次重复使用，为实现具有多层次微纳复合结构的聚合物薄膜提供可量产的解决方案。
附图说明
图1为具有单面多层次微纳复合结构的聚合物薄膜的结构示意图；
图2为具有双面多层次微纳复合结构的聚合物薄膜的结构示意图；
图3为聚合物薄膜和摩擦电压力传感器的制备流程图；
图4为模具的结构示意图(a)以及模具中区域A的盲孔阵列的显微图(b)；
图5为本发明的摩擦电压力传感器的截面图；
图6为本发明的摩擦电压力传感器的实物照片；
图7为本发明的摩擦电压力传感器的工作原理示意图，其中(a)表示摩擦电压力传感器受到外部负载前的示意图，(b)表示摩擦电压力传感器受到外部负载后的示意图；
图8为本发明的摩擦电压力传感器与传统摩擦电压力传感器的压力响应的电信号输出图。
附图标记：聚合物薄膜100，第一微米级凸起111，第一纳米级凸起112，第一纳米纤维网络结构113，第二微米级凸起121，第二纳米级凸起122，第二纳米纤维网络结构123，第一PET衬底201，第二PET衬底202，第一柔性电极301，第二柔性电极302，粘性垫片400。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如左、右、上、下等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参考图1所示，本发明一种实施例的具有单面多层次微纳复合结构的聚合物薄膜100，包括第一表面，第一表面上设置有若干个第一微米级凸起111，第一微米级凸起111上设置有若干个第一纳米级凸起112。第一微米级凸起111顶部设置有由第一纳米纤维交织而成的第一纳米纤维网络结构113，第一纳米纤维网络结构113所在平面垂直于或倾斜于第一微米级凸起111。
参考图2所示，本发明另一种实施例的具有双面多层次微纳复合结构的聚合物薄膜100除了第一表面外还包括位于第一表面背面的第二表面，第二表面上设置有若干个第二微米级凸起121，第二微米级凸起121上设置有若干个第二纳米级凸起122。第二微米级凸起121的顶部设置有由第二纳米纤维交织而成的第二纳米纤维网络结构123，第二纳米纤维网络结构123所在平面垂直于或倾斜于第二微米级凸起121。
其中，第一微米级凸起111和第二微米级凸起121的直径可以独立地为5μm～25μm，高度与直径之比为0.8～1.2。第一微米级凸起111和第二微米级凸起121的形状可以独立地为圆锥状、半球状、棱锥状或网格状。
第一纳米级凸起112和第二纳米级凸起122的尺寸可以独立地为100nm～500nm。
第一纳米纤维和第二纳米纤维的直径独立地为100nm～700nm。
聚合物薄膜100的厚度为50μm～100μm。聚合物薄膜100的制备材料包括聚四氟乙烯(PTFE)、可溶性聚四氟乙烯(PFA)、聚苯硫醚(PPS)、聚苯醚(PPO)、改性聚苯醚、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)中的至少一种。
以下以PTFE薄膜为例，示例性地详细说明聚合物薄膜(PTFE薄膜)的制备方法，并将该PTFE薄膜用于制作摩擦电压力传感器，制备流程如图3所示。
具体地，一种具有单面多层次微纳复合结构的PTFE薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)原材料和模具准备
在制备PTFE薄膜过程中需要用到如图4所示的模具，模具需要进行镜面抛光以保证表面的平整度。本发明采用的模具由精钢原料制成(可减少由于空气自然对流引起的热量损失对聚合物材料温度均匀分布的影响)。这种模具包括尺寸均为50×50×40mm的上模具和下模具。上模具或下模具的一面设置有盲孔阵列，盲孔阵列中盲孔的直径约为25μm，高度约为20μm，相邻盲孔间隔28μm左右。每一个盲孔顶部中都具有皮秒激光烧蚀留下的纳米级凹陷结构，其尺寸约为300nm。
选择商用级PTFE膨体弹性带作为加工原料，这种PTFE膨体弹性带的厚度在3mm左右，采用纯PTFE分散树脂，通过压条、高温拉伸而成。PTFE膨体弹性带的面积与模具上的盲孔阵列对应。
将PTFE膨体弹性带和模具放入无水乙醇中进行超声波清洗20min左右，取出后放入烘箱20min左右充分干燥备用。
(2)成型实验前准备
成型设备使用平板硫化机，平板硫化机具有上下压板，温度0℃～300℃可调，下压板连接液压驱动，压力可调。上下压板内设有冷却流道，连接冷却油可控制快速冷却。
在平板硫化机的下压板上由下而上依次放置耐高温导热硅胶垫片、下模具、待加工的PTFE膨体弹性带、上模具、另一片耐高温导热硅胶垫片(耐高温导热硅胶垫片可使PTFE膨体弹性带和上模具、下模具在成型过程中受力均匀，避免压力集中)，其中上模具或下模具设置有盲孔阵列的一面与PTFE膨体弹性带接触。
(3)预热
设置完成后驱动下压板上升使上面的耐高温导热硅胶垫片与上压板接触，稍加压力(<1MPa)后，将PTFE膨体弹性带加热至成型温度(成型温度高于PTFE膨体弹性带的玻璃化转变温度120℃)。具体地，这里的成型温度在190℃左右。
(4)加压成型
成型分为两段式加压，在PTFE膨体弹性带达到指定成型温度后，通过预压(40MPa)将PTFE膨体弹性带压平，保持压力持续5min使得材料温度均匀分布，再将压力增加至80MPa，并保持10min。
(5)冷却脱模
达到成型时间后，在保持压力的状态下，通过冷却循环装置将模具温度降低至PTFE膨体弹性带的玻璃化转变温度(120℃)以下，然后打开平板硫化机的上下压板，将成型后的具有单面多层次微纳复合结构的PTFE薄膜从模具中间取出。
该具有单面多层次微纳复合结构的PTFE薄膜的厚度约为100μm，其多层次微纳复合结构中的微米级凸起的直径约为25μm，高度约为20μm；纳米级凸起高度约为300nm，纳米纤维直径分布在300nm～700nm之间。
将所制得的具有单面多层次微纳复合结构的PTFE薄膜用于制作摩擦电压力传感器，制备方法如下：
(1)制备柔性电极
1)原材料准备：将厚度约为75μm的柔性PET衬底清洗干净后放入烘箱100℃干燥1h，将导电银浆用搅拌器充分搅拌10min降低其粘度。
2)实验设置：设置刮刀角度、印刷范围等参数，调整刮刀平衡度和竖直位移量程，使网版受力均匀；安装带有电极图案的印刷网版。
3)印刷：将经过干燥处理的PET衬底置于丝网印刷台面，通过抽真空吸附将其固定。将充分搅拌后的导电银浆涂在印刷网版上，经回墨刀旋涂均匀后，控制丝网印刷刮刀压力和印刷速度，将导电银浆通过网板上的网孔印在PET衬底上。
4)后处理：将印刷后的PET衬底置于烘箱中在120℃干燥10min，使导电银浆中的溶剂充分挥发，在PET衬底(柔性衬底)上形成厚度约为20μm的导电银浆层(柔性电极)。
(2)制作摩擦电压力传感器
将2片印刷好的柔性电极以三明治结构将PTFE薄膜夹在中间，其中2片柔性电极的PET衬底面都面向PTFE薄膜。其中一片柔性电极的PET衬底面与PTFE薄膜的具有多层次微纳复合结构的第一表面接触，需要使用粘性垫片(双面胶)将该PET衬底与PTFE薄膜隔开，使该PET衬底与PTFE薄膜的第一表面之间存在空气间隙，即可得到摩擦电压力传感器。
参阅图5和图6，组装后的摩擦电压力传感器包括依次层叠的第一柔性电极301、第一PET衬底201、PTFE薄膜100、第二PET衬底202和第二柔性电极302。其中，第二PET衬底202朝向PTFE薄膜100的具有多层次微纳复合结构的第一表面，第二PET衬底202与PTFE薄膜100的第一表面之间设置有粘性垫片400，该粘性垫片400使第二PET衬底202与PTFE薄膜100的第一表面之间不直接接触，存在空气间隙。
参见图7，上述摩擦电压力传感器的工作原理为：
PTFE薄膜100和第二PET衬底202分别由两种不同材质的聚合物制成，PTFE薄膜100在外部负载作用下发生变形使得PTFE薄膜100的第一表面的第一微米级凸起111和第一纳米级凸起112与第二PET衬底202发生接触摩擦。由于第一微米级凸起111受到挤压而产生偏向一侧的变形，导致其顶端的第一纳米纤维网络结构113发生横向移动，从而与第二PET衬底202产生滑动摩擦。
PTFE薄膜100容易捕获电子，第二PET衬底202容易失去电子，因此产生符号相反的摩擦电荷并分布在两种聚合物的内表面。当撤掉外部负载，变形开始释放时，相反的摩擦电荷被空气间隙分开，形成偶极矩，因此可以在第一柔性电极301和第二柔性电极302之间建立电势差。为了达到平衡，电子从电位较低的一侧流向电位较高的一侧，导致静电感应电荷在电极上积累。
随后重新施加负载产生变形，再次使PTFE薄膜100和第二PET衬底202接触，则偶极矩消失或减小。减少的电位差导致电极中的电子向相反的方向流动，从而使累积的感应电荷消失。因此，通过PTFE薄膜100的反复弯曲和释放，电子以交流的方式通过外部负载驱动而流动，进而可通过测量电路的开路电压、短路电流等电信号输出来表征压力响应特性。
将第一柔性电极301和第二柔性电极302的延长部分分别接入电化学工作站的工作电极和参比电极后测量摩擦电压力传感器的开路电压，然后对摩擦电压力传感器施加外部压力即可测得压力响应的电信号输出。经测试发现，本发明基于多层次微纳复合结构PTFE薄膜的摩擦电压力传感器对比传统只有微纳凸起结构、无纳米纤维网络结构的PTFE薄膜制备的摩擦电压力传感器，其电压信号输出有显著地提升，如图8所示。

Claims (20)

1.一种摩擦电压力传感器，其特征在于：所述摩擦电压力传感器包括聚合物薄膜；
所述聚合物薄膜包括第一表面，所述第一表面上设置有若干个第一凸起结构，所述第一凸起结构的顶部设置有第一纳米纤维网络结构，所述第一纳米纤维网络结构所在平面垂直于或倾斜于所述第一凸起结构的凸起方向，
所述第一凸起结构包括第一微米级凸起，所述第一微米级凸起设置在所述第一表面上，所述第一微米级凸起的直径为5μm~25μm，高度与直径之比为0.8~1.2，相邻的两个所述第一微米级凸起之间的距离为25~30μm；
所述第一凸起结构还包括第一纳米级凸起，部分或全部所述第一微米级凸起上设置有一个或多个所述第一纳米级凸起，所述第一纳米级凸起的尺寸为100 nm~500 nm。
2.根据权利要求1所述摩擦电压力传感器，其特征在于：所述聚合物薄膜中第一微米级凸起为以下形状中的任意一种或多种：圆锥状、半球状、棱锥状、网格状。
3.根据权利要求2所述摩擦电压力传感器，其特征在于：所述聚合物薄膜中第一纳米纤维网络结构由若干第一纳米纤维交织而成，所述第一纳米纤维的直径为100 nm~700 nm。
4.根据权利要求3所述摩擦电压力传感器，其特征在于：所述聚合物薄膜还包括位于所述第一表面背面的第二表面，所述第二表面上设置有若干个第二凸起结构，所述第二凸起结构的顶部设置有第二纳米纤维网络结构；所述第二纳米纤维网络结构所在平面垂直于或倾斜于所述第二凸起结构的凸起方向。
5.根据权利要求4所述摩擦电压力传感器，其特征在于：所述聚合物薄膜中第二凸起结构包括第二微米级凸起，所述第二微米级凸起设置在所述第二表面上。
6.根据权利要求4所述摩擦电压力传感器，其特征在于：所述聚合物薄膜中第二凸起结构还包括第二纳米级凸起，部分或全部所述第二微米级凸起上设置有一个或多个所述第二纳米级凸起。
7.根据权利要求4所述摩擦电压力传感器，其特征在于：所述聚合物薄膜中第二微米级凸起的直径为5 μm~25 μm，高度与直径之比为0.8～1.2。
8.根据权利要求4所述摩擦电压力传感器，其特征在于：所述聚合物薄膜中第二微米级凸起为以下形状中的任意一种或多种：圆锥状、半球状、棱锥状、网格状。
9.根据权利要求4所述摩擦电压力传感器，其特征在于：所述聚合物薄膜中第二纳米级凸起的尺寸为100nm~500 nm。
10.根据权利要求4所述摩擦电压力传感器，其特征在于：所述聚合物薄膜中第二纳米纤维网络结构由若干第二纳米纤维交织而成，所述第二纳米纤维的直径为100 nm~700 nm。
11.根据权利要求4所述摩擦电压力传感器，其特征在于：所述聚合物薄膜中第二表面上的第二微米级凸起、第二纳米级凸起和第二纳米纤维的大小和形状与第一表面上的第一微米级凸起、第一纳米级凸起和第一纳米纤维的大小和形状相同或不同。
12.根据权利要求1~11任一项所述摩擦电压力传感器，其特征在于：所述聚合物薄膜的制备方法包括如下步骤：将聚合物材料置于上模具和下模具之间，加热后进行加压成型，冷却脱模即得所述聚合物薄膜；所述上模具和/或下模具与所述聚合物材料的接触面设置有盲孔阵列。
13.根据权利要求12所述摩擦电压力传感器，其特征在于：所述盲孔阵列中的盲孔为微米级盲孔。
14.根据权利要求13所述摩擦电压力传感器，其特征在于：部分或全部所述微米级盲孔的中设置有纳米级凹陷结构。
15.根据权利要求13所述摩擦电压力传感器，其特征在于：所述微米级盲孔的直径为5μm~25 μm，高度与直径之比为0.8~1.2。
16.根据权利要求12所述摩擦电压力传感器，其特征在于：所述加热温度高于所述聚合物材料的玻璃化转变温度。
17.根据权利要求16所述摩擦电压力传感器，其特征在于：所述加压成型所施加的压力大小为10MPa~100 MPa。
18.根据权利要求16所述摩擦电压力传感器，其特征在于：所述加压成型的时间为1min~30 min。
19.根据权利要求16所述摩擦电压力传感器，其特征在于：所述冷却脱模具体为，在保持压力的状态下，当温度降至所述聚合物材料的玻璃化转变温度以下，将成型后的聚合物薄膜从上模具和下模具之间取出。
20.根据权利要求1所述摩擦电压力传感器，其特征在于：所述摩擦电压力传感器包括依次层叠的第一电极层、第一绝缘层、所述聚合物薄膜、第二绝缘层和第二电极层，所述聚合物薄膜与所述第一绝缘层和/或第二绝缘层之间具有间隙。
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