CN113029401A

CN113029401A - 一种电阻式应力应变复合传感材料的制备方法

Info

Publication number: CN113029401A
Application number: CN202110242699.2A
Authority: CN
Inventors: 孔春才; 杨志懋; 王安华; 吕建; 白星宇; 白一鸣; 李成成; 刘冰洁
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2021-03-09
Filing date: 2021-03-09
Publication date: 2021-06-25

Abstract

本公开揭示了一种电阻式应力应变复合传感材料的制备方法，包括如下步骤：选择金属基板作为反应基底，常温常压下，将含有低还原性金属离子的溶液涂覆在该反应基底上，形成金属微纳结构；将第一胶体涂覆于金属微纳结构上固化成型，获得未封装的第一材料；将该未封装的第一材料从反应基底剥离，并在第一胶体对侧的金属微纳结构上涂覆第二胶体，形成第一胶体‑金属微纳结构‑第二胶体的复合体并固化成型，获得封装的电阻式应力应变复合传感材料。

Description

一种电阻式应力应变复合传感材料的制备方法

技术领域

本公开属于材料制备领域，具体涉及一种电阻式应力应变复合传感材料的制备方法。

背景技术

科学技术的发展往往依赖材料的革新和发展，因此各种功能化材料层出不穷，柔性传感材料也是因特定需求而开发的一种功能材料。

近年来，随着柔性电子器件的开发和研究成为一个社会关注的热点，柔性可穿戴传感器件也逐步走进人们视野，开发具有高灵敏度、响应快速、强稳定性的柔性传感材料就成为关键。然而，单一的材料无法满足需求，因而柔性复合传感材料成为研究重点。柔性复合传感材料通常是由柔性基底和导电结构构成，可分为柔性压力传感、柔性应变传感、柔性气敏传感、柔性光纤传感等。然而，现有的柔性传感材料具有制备成本过高、制备方法复杂和循环使用率低等问题。

发明内容

针对现有技术中的不足，本公开能够提供一种利用简单工艺制备电阻式应力应变复合传感材料的方法，且所制备的复合传感材料较通过现有方法制备的材料循环使用率高。

为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：

一种电阻式应力应变复合传感材料的制备方法，包括如下步骤：

S100：选择金属基板作为反应基底，常温常压下，将含有低还原性金属离子的溶液涂覆在该反应基底上，形成金属微纳结构；

S200：将第一胶体涂覆于金属微纳结构上固化成型，获得未封装的第一材料；将该未封装的第一材料从反应基底剥离，并在第一胶体对侧的金属微纳结构上涂覆第二胶体，形成第一胶体-金属微纳结构-第二胶体的复合体并固化成型，获得封装的电阻式应力应变复合传感材料。

优选的，步骤S100中，所述低还原性金属离子包括Ag⁺离子或Au³⁺离子。

优选的，步骤S100中，所述金属基板由活性高于Ag⁺离子或Au³⁺离子的金属材料制备。

优选的，步骤S200中，所述胶体包括如下任一：聚二甲基硅氧烷、聚氨酯和苯乙烯系热塑性弹性体。

优选的，步骤S200中，将胶体涂覆于金属微纳结构上后，在任意干燥环境中固化成型。

优选的，步骤S100中，在选择金属基板作为反应基底之前，需要对该金属基板表面的有机物和氧化物进行清理。

优选的，利用有机溶剂对金属基板表面的有机物进行清理。

优选的，利用低浓度酸性溶液对金属基板表面的氧化物进行清理。

优选的，步骤S100中，形成金属微纳结构后，需要对金属微纳结构表面进行清洗。

与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：

本公开制备的复合传感材料由胶体和金属微纳结构复合而成，制备方法简单易行，性能优异。金属微纳结构通过简单的原位生长方式，形貌可控，成分可变。

附图说明

图1是本公开一个实施例提供的一种电阻式应力应变复合传感材料的制备方法流程图；

图2是本公开另一个实施例提供的Ag纳米枝晶的SEM图；

图3是本公开另一个实施例提供的复合材料在不同形变率下的拉伸传感测试结果示意图；

图4是本公开另一个实施例提供的复合传感材料的循环稳定测试结果示意图；

图5是本公开另一个实施例提供的复合传感材料的运动检测测试结果示意图。

具体实施方式

下面将参照附图1至图5详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。

一个实施例中，如图1所示，本公开提供一种电阻式应力应变复合传感材料的制备方法，包括如下步骤：

该步骤中，将反应基底置于反应皿中，利用滴管将含有低还原性金属离子的溶液滴涂在反应基底上，由于该金属离子能够与反应基底中的金属离子发生原位置换反应，从而形成金属微纳结构。

需要理解的是，此处的低还原性是一个相对的概念，即溶液中的金属离子要比金属基板中所含金属的还原性要低，只有满足这个条件，溶液中的金属离子与反应基底才能发生置换反应，从而形成金属微纳结构。

本实施例中，由上述方法制备的电阻式应力应变复合传感材料可适用于电阻型传感。复合传感材料在受到微应力应变时，金属微纳结构随之而变化，从而大幅影响材料电阻率，从而材料巧妙地将应力变化转变为电阻率的变化，获得高灵敏度传感效果，其中当材料形变率为1％时，电阻变化率为5％，当材料形变率为10％时，电阻变化率为230％。

另一个实施例中，步骤S100中，所述低还原性金属离子包括Ag⁺离子或Au³⁺离子。

本实施例中，由于Ag⁺离子或Au³⁺离子的还原性低于反应基底中的金属材料，因此可以用于制备金属微纳结构。

需要说明的是，本实施例只是进行示例性的说明，其他低还原性的金属离子与高活性的金属同样适用于本申请所提供的技术方案。

另一个实施例中，步骤S100中，所述金属基板由活性高于Ag⁺离子或Au³⁺离子的金属材料制备。

本实施例中，根据现有阶段的研究，Zn、Sn和Cu的活性高于Ag⁺离子或Au³⁺离子，可用于金属微纳结构的制备，但是，并不意味着金属基板制备材料的选择应局限于此，凡是活性高于Ag⁺离子或Au³⁺离子的金属材料都应纳入本公开的保护范围。

另一个实施例中，步骤S200中，所述胶体包括如下任一：聚二甲基硅氧烷、聚氨酯和苯乙烯系热塑性弹性体。

本实施例所选用的上述几种物质均可用于制备柔性复合传感材料，其与固化剂未混合之前不会固化，呈胶体状态，待与固化剂混合之后，在一定温度下加热，则固化形成具有弹性的固体，其中，由于聚二甲基硅氧烷的性能优于其他几种物质，因此，本实施例将聚二甲基硅氧烷作为优选。

另一个实施例中，步骤S200中，将胶体涂覆于金属微纳结构上，在干燥环境中固化成型。

本实施例中，胶体涂覆于微纳米结构上后，胶体能够缓慢融入金属微纳结构中去，待胶体完全融入金属微纳结构后，将胶体置于干燥箱中进行固化成型。

需要说明的是，本发明并不局限于使用干燥箱，其他凡是能够使得胶体固化成型的设备均可用于本发明。

另一个实施例中，步骤S100中，在选择金属基板作为反应基底之前，需要对该金属基板表面的有机物和氧化物进行清理。

另一个实施例中，利用有机溶剂对金属基板表面的有机物进行清理。

该实施例中，用于去除有机物的有机溶剂包括很多，例如乙醇、丙酮等，具体选用哪种需要根据实验具体情况而定。

另一个实施例中，利用低浓度酸性溶液对金属基板表面的氧化物进行清理。

本实施例中，低浓度的盐酸、硝酸、次氯酸等均可用于本发明，具体根据实验而定。

另一个实施例中，步骤S100中，形成金属微纳结构后，需要利用去离子水和无水乙醇对金属微纳结构表面进行清洗。

本实施例中，通常选择利用去离子水和无水乙醇对金属微纳结构表面进行清洗，当然也不排除其他方式。

下面，通过几个具体的实施例对本公开的技术方案作进一步的详细说明。

一个具体的实施例中：

1、准备3cm*3cm大小的Cu(也可以选择Zn或Sn)片作为反应基底，取用定量的50mM/L的AgNO3溶液或HAuCl₄溶液滴在Cu片表面反应1min左右，将废液从Cu片侧面吸出，并用无水乙醇清洗反应界面，随后将样品进行干燥。

2、使用高精度程控匀胶机在经过反应的Cu片基底上旋涂一层PDMS(聚二甲基硅氧烷)胶体，旋涂参数为：加速时间为20s，最高转速为150r/min，旋涂时间为120s，以保障PDMS胶体均匀覆盖于反应基底上。

3、将旋涂好PDMS反应基底，置于真空干燥箱，恒温80℃进行固化，固化时间为1h。

4、将固化后的样品取出，将PDMS从反应基底揭下，并在靠近Ag纳米枝晶面再次旋涂一层PDMS，然后进行封装。

以上实施例所得Ag纳米枝晶的结构示意图如图2所示，可以看出Ag纳米枝晶交联形成密集导电网络，并存在一定空隙，填充PDMS提供了可能。

另一个具体的实施例中：

2、使用高精度程控匀胶机在经过反应的Cu片基底上旋涂一层PDMS胶体，旋涂参数为：加速时间为20s，最高转速为150r/min，旋涂时间为120s，以保障PDMS胶体均匀覆盖于反应基底上。

5、使用哑铃裁刀将制备的复合材料裁剪为标准样品，使用拉伸机对材料拉伸，拉伸率分别为1％、3％、5％、10％，往返拉伸的周期为5s，最大形变处与最低形变处均保持2s。

以上实施例所得的柔性复合传感材料的拉伸数据如图3所示，可以看出在1％的拉伸率下，电阻变化率为5％左右，在较低的应变条件下有明显的电阻变化反馈，说明该复合传感材料的高灵敏度。除此之外在3％、5％、10％这三种拉伸状态下材料的电阻变化率分别为：23％、58％、225％，该复合材料亦可做到稳定传感，且电阻变化率远远高于传统材料拉伸后因长度和横截面积改变造成的电阻变化，说明材料内部特殊金属微纳结构起到了至关重要的作用。

另一个具体的实施例中：

1、准备3cm*3cm大小的Cu片(也可以选择Zn或Sn)作为反应基底，取用定量的50mM/L的AgNO3溶液或HAuCl₄溶液滴在Cu片表面反应1min左右，将废液从Cu片侧面吸出，并用无水乙醇清洗反应界面，随后将样品进行干燥。

4、将固化后的样品取出，将PDMS从反应基底揭下，并在靠近Ag纳米枝晶面再次旋涂一层PDMS进行封装。

5、使用哑铃裁刀将制备的复合材料裁剪为标准样品，使用拉伸机对材料拉伸，拉伸率为3％，往返拉伸的周期为5s，最大形变处与最低形变处均保持2s，保持500个循环。

以上实施例所得复合传感材料的循环拉伸数据如图4所示，可以看出在3％的拉伸率下的500个拉伸循环中，该复合传感材料的电阻变化率保持稳定，未出现较大突变，说明该材料内部金属微纳结构稳定，回复性强，具有高循环稳定性。

另一个具体的实施例中：

5、将制备的复合材料粘贴至手指关节处进行运动检测实验，前半段手指快速弯曲，后半段缓慢弯曲。

以上实施例制备所得的复合传感材料的运动监测数据如图5所示，可以看出随着手指关节的弯曲和舒张，该材料会随之被拉伸或回复，相应地，该材料电阻随之变化，且变化率明显，因此可以从材料电阻变化率来反馈手指关节运动，达到运动监测目的。这也说明了该复合材料在运动监测领域具有较好的实际应用潜力。

以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

Claims

1.一种电阻式应力应变复合传感材料的制备方法，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其中，优选的，步骤S100中，所述低还原性金属离子包括Ag⁺离子或Au³⁺离子。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤S100中，所述金属基板由活性高于Ag⁺离子或Au³⁺离子的金属材料制备。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤S200中，所述胶体包括如下任一：聚二甲基硅氧烷、聚氨酯和苯乙烯系热塑性弹性体。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤S200中，将胶体涂覆于金属微纳结构上后，在任意干燥环境中固化成型。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤S100中，在选择金属基板作为反应基底之前，需要对该金属基板表面的有机物和氧化物进行清理。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，利用有机溶剂对金属基板表面的有机物进行清理。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，利用低浓度酸性溶液对金属基板表面的氧化物进行清理。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤S100中，形成金属微纳结构后，需要对金属微纳结构表面进行清洗。