CN113249961B - 基于导电纤维网络的柔性器件结构及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供基于导电纤维网络的柔性器件结构及其制备方法与应用，该柔性器件结构包括：导电纤维网络和封装所述导电纤维网络的弹性体材料；导电纤维网络中相邻的导电纤维之间相互连接、内部连通，从一根导电纤维的内部到达另外一根导电纤维的内部存在多条通路，且所有导电纤维沿轴向具有多个细管状的贯通性空腔从而使得横截面均为多孔隙结构，导电纤维被弹性体材料包裹。本发明提供的柔性器件结构解决了现有基于导电纤维网络的柔性器件功能单一、集多功能于一身困难的问题，可实现吸波、温度传感、应变传感、压力传感等多种功能并能集多种上述功能于一身，可用于人体运动监测、生命体征监测、姿态矫正、智能感知、电磁屏蔽等场景。

Description

基于导电纤维网络的柔性器件结构及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及柔性器件技术领域，尤其涉及基于导电纤维网络的柔性器件结构及其制备方法与应用。
背景技术
近年来，柔性器件发展快速，在医疗健康监护、人机交互、智能传感系统等领域得到了广泛应用，已经成为下一代电子产品的重点布局之一。基于导电网络的柔性器件作为柔性器件领域的一个重要分支，因导电网络的灵活多样性而备受关注，近些年取得了若干重要进展。然而，调研发现目前基于导电网络的柔性器件忽视了导电网络的骨架内部精细结构对于器件功能拓展与性能提升上的贡献，这使得目前基于导电网络的柔性器件的功能单一(譬如只有压力传感功能，或只有应变传感功能)，需要将多个单一功能的基于导电网络的分立柔性器件单元进行集成才能实现多功能柔性器件功能，显然会对柔性器件的多功能化、小型化、轻量化带来不小的挑战。为解决现有技术中基于导电纤维网络的柔性器件功能单一、集多功能于一身困难的问题，目前亟需提供一种新的柔性器件结构及制备方法。
发明内容
本发明提供基于导电纤维网络的柔性器件结构及其制备方法与应用。本发明提供的柔性器件结构解决了现有基于导电纤维网络的柔性器件功能单一、集多功能于一身困难的问题。
本发明提供一种基于导电纤维网络的柔性器件结构，至少包括：导电纤维网络和封装所述导电纤维网络的弹性体材料；所述导电纤维网络中导电纤维之间相互连接、内部连通，从一根导电纤维的内部到达另外一根导电纤维的内部存在多条通路，且所述导电纤维的横截面为多孔隙结构，所述导电纤维被所述弹性体材料包裹。本发明中，内部具有多孔隙结构的导电纤维，在外部多种激励(包括温度、拉力、压力等)下都可发生形变，此时不仅易于断裂产生裂缝，同时因受到内部多孔隙结构的支撑或牵引导电纤维不易完全崩塌，因此可实现高灵敏度、高稳定性的多功能电学传感。同时导电纤维网络内部存在多条导电通路，保证在大的外部激励及形变下电学传感功能不易失效，因此可使得多功能电学传感具有较大的感测范围。而且导电纤维内部的多孔隙结构还让纤维内部拥有了极大的比表面积，纤维内部也可以承载大量功能材料尤其是吸波功能材料，同时还可使得电磁波可在其上面发生多次反射，增加电磁波的损耗，本发明提供的导电纤维网络还可将优异的电磁屏蔽功能引入到多功能电学传感中。
根据本发明，所述柔性器件结构简单，依赖所述导电纤维网络可实现吸波、温度传感、应变传感、压力传感等多种柔性器件功能，还可集多种上述功能于一身；可直接贴于皮肤或附着在衣物或其它可穿戴配件上用于人体运动监测、生命体征监测、姿态矫正、电磁屏蔽等场景。
根据本发明提供的所述的基于导电纤维网络的柔性器件结构，所述导电纤维网络的结构为微血管状、蜂窝状、类蜂窝状、渔网状或棋盘状；所述导电纤维之间有空隙，所述空隙被所述弹性体材料完全填充；所述导电纤维的内部沿轴向具有多个(两个及两个以上)细管状的贯通性空腔，所述导电纤维的内部包括所述导电纤维相互连接的部位的内部。根据本发明，所有导电纤维沿轴向具有多个细管状的贯通性空腔从而使得横截面均为多孔隙结构；且各导电纤维被所述弹性体材料完全包裹，即导电纤维完全被弹性体材料包裹住，导电纤维不外露。
根据本发明提供的所述的基于导电纤维网络的柔性器件结构，所述导电纤维网络的材料选自导电碳材料、导电二维材料、金属、导电聚合物以及由它们组成的导电复合材料中的一种或多种，优选为导电碳材料；所述导电聚合物选自聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚对苯、聚对苯撑乙烯、聚芳香撑乙烯的一种或多种。
根据本发明提供的所述的基于导电纤维网络的柔性器件结构，所述导电纤维网络为二维导电纤维网络或三维导电纤维网络；根据本发明，所述二维和三维是指导电纤维网络整体呈现出的几何结构或几何形态，具体地，二维是指薄片，三维是指块体；所述导电纤维网络是通过对天然纤维网络或人造纤维网络进行导电化处理得到，或通过人工合成得到；优选对天然纤维网络进行导电化处理得到导电纤维网络；所述人造纤维网络通过干法纺丝、湿法纺丝、熔融纺丝、静电纺丝法、双组份复合纺丝法、熔喷法、激光拉伸法中的一种或多种制备。优选的，所述导电纤维网络的内部孔隙和/或外表面承载吸波材料，所述吸波材料选自电阻型吸波材料、介电损耗型吸波材料和磁损耗型吸波材料中的一种或多种。
根据本发明提供的所述的基于导电纤维网络的柔性器件结构，所述弹性体材料为热固性弹性体和/或热塑性弹性体，优选选自天然橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、硅胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、热塑性聚氨酯(TPU)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)中的一种或多种；优选的，所述弹性体材料的热膨胀系数大于50×10-6/℃；和/或，所述弹性体材料的内部分散有微米颗粒和/或纳米颗粒，所述微米颗粒和所述纳米颗粒的粒热膨胀系数大于50×10-6/℃。
本发明还提供一种基于导电纤维网络的柔性器件，包括所述的基于导电纤维网络的柔性器件结构；优选还包括：电极和/或电极引线，所述电极和/或电极引线与所述导电纤维网络连接；优选的，所述电极的材料选自固态导电材料、液态导电材料和导电聚合物中的一种或多种；所述液态导电材料选自导电液、导电浆料和导电凝胶中的一种或多种，所述导电聚合物包括内部混合分散有炭黑、碳纳米管、碳纤维、银浆、石墨烯、Mxene、金属纳米线和金属纳米颗粒中的一种或多种的高分子材料；所述电极引线选自金属丝、金属片和导电胶带中的一种或多种。本发明中，所述导电纤维网络连接电极和/或电极引线，再用弹性体材料封装，制备出柔性电学器件，所述电极引线优选通过缠绕、焊接、粘合的方式连接在所述电极上。
根据本发明提供的基于导电纤维网络的柔性器件，该柔性器件包括所述柔性器件结构；优选的，柔性器件结构或柔性器件的电阻随应变增加或压力增加或温度升高均表现出增大。
本发明还提供所述基于导电纤维网络的柔性器件的制备方法，包括：
S1、通过纺丝法在基底上构建出微血管状的骨架结构；使所述骨架结构的各部分均是由多根沿轴向排列的实心细纤维组成的纤维束；
S2、在步骤S1制得的骨架结构上附着导电薄膜，所述骨架结构暴露出来的各部分被所述导电薄膜包裹，使所述实心细纤维无外露；
S3、去除所述骨架结构，得到导电纤维网络；
S4、在所述导电纤维网络两端的表面各连接一个电极和一个电极引线；
S5、利用弹性体材料对连有电极和电极引线的导电纤维网络进行填充，弹性体材料固化后，完成封装。
根据本发明提供的所述基于导电纤维网络的柔性器件的制备方法，包括：
S1’、对天然维管束植物纤维进行碱化处理，清洗、干燥，得到纤维网络；
S2’、将步骤S1’制得的纤维网络浸入铁离子溶液中，进行铁离子溶液填充纤维内部空腔的操作，使铁离子溶液充满纤维网络内部；
S3’、将步骤S2’经处理的纤维网络烘干，在真空或惰性气氛下进行高温退火处理，在使得纤维网络导电的同时，也形成铁氧体颗粒并附着在纤维内部的多空隙结构中，得到承载有铁氧体磁损耗吸波材料的导电纤维网络；
S4’、使用弹性体材料对所述导电纤维网络进行填充，弹性体材料固化后，完成封装，得到柔性吸波/传感多功能器件。
根据本发明提供的所述基于导电纤维网络的柔性器件的制备方法，包括：
s1、将干燥天然维管束植物纤维网络在真空或惰性气氛下进行高温退火处理，得到导电纤维网络；
s2、在步骤s1制得的导电纤维网络两端的表面各连接一个电极及一个电极引线；
s3、将具备高热膨胀系数的微米颗粒和/或纳米颗粒均匀分散在弹性体材料的溶液中，得到混有微纳颗粒的弹性体溶液；
s4、使用步骤s3制得的混有微纳颗粒的弹性体溶液对步骤s2处理的导电纤维网络进行填充，弹性体材料固化后，完成封装，制得柔性温度/应变/压力多功能传感器；
或步骤s2后为：
s3’、将高热膨胀系数的弹性体材料对步骤s2处理的导电纤维网络进行填充，弹性体材料固化后，完成封装，得到柔性温度/应变/压力多功能传感器。
本发明还提供所述基于导电纤维网络的柔性器件结构或所述基于导电纤维网络的柔性器件的应用，具体在医疗健康监护、人机交互、智能传感系统、人体运动监测、生命体征监测、姿态矫正、电磁屏蔽中的应用，具体地，应用中柔性器件结构或柔性器件的电阻随应变增加或压力增加或温度升高均表现出增大。
本发明的有益效果至少在于：本发明提供的柔性器件的结构简单，易于制备，依赖所述导电纤维网络可实现吸波、温度传感、应变传感、压力传感等多种柔性器件功能，还可集多种上述功能于一身。本发明制备的柔性器件可直接贴于皮肤或附着在衣物或其它可穿戴配件上用于人体运动监测、生命体征监测、姿态矫正、电磁屏蔽等场景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中需要使用的附图作简单介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中基于导电纤维网络的柔性器件结构的示意图及单根纤维示意图；
图2为本发明实施例中基于导电纤维网络的柔性器件的制备流程图；
图3为本发明实施例中基于导电纤维网络是柔性传感器的示意；
图4为本发明实施例基于导电纤维网络的柔性吸波/传感多功能器件的示意图；
图5为本发明实施例中基于导电纤维网络的柔性吸波器件示意图；
图6为本发明实施例中基于导电纤维网络的柔性温度/压力/应变多功能传感器的示意图；
图7为本发明实施例中基于导电纤维网络的柔性温度/应变/压力多功能传感器示意图；
其中，1为导电纤维网络；2为弹性体材料；3为单根纤维；4为纤维横截面；5为电极；6为内部附着吸波材料的导电纤维网络；7为内部附着吸波材料的单根纤维的截面；8为高热膨胀系数微纳米颗粒；9为高热膨胀系数弹性体材料。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。
本发明中，所用仪器等未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。
本发明实施例提出一种基于导电纤维网络的柔性器件结构及其制备方法，解决了现有技术中基于导电纤维网络的柔性器件功能单一、集多功能于一身困难等问题。
图1为本发明实施例提出的基于导电纤维网络的柔性器件结构的基本结构，该结构至少包括导电纤维网络1和完全封装导电纤维网络的弹性体材料2两部分。其中导电纤维网络1部分，可以连接电极也可以引入其他材料进行修饰，弹性体材料2中也可以引入其他材料。单根导电纤维3的内部沿轴向具有多个细管状的贯通性空腔，且纤维横截面4为多孔隙结构。
本发明实施例中的导电纤维网络可以完全通过人工合成一次性得到，也可以从干燥的葫芦科植物瓤中提取出维管束植物纤维再经过导电处理获得，还可以对人造纤维网络进行导电化处理得到。
所述葫芦科植物，包括但不限于丝瓜、南瓜、葫芦、冬瓜、苦瓜、佛手瓜等，待其果实成熟后经自然干燥脱水或人工人干燥脱水处理后，去除表皮、取出瓤、去除瓤中的种子，最终得到维管束植物纤维。所述维管束植物纤维之间相互交织连接，构成一种特殊的网络结构。所谓特殊是指网络结构中纤维间是相互连接且内部都是连通的，从一根植物纤维的内部到达另外一根植物纤维的内部存在多条通路，且所有植物纤维的横截面均为多孔隙结构。所述导电纤维的内部，沿轴向具有多个细管状的贯通性空腔，使得所述导电纤维的横截面为多孔隙结构，在所述导电纤维相互连接的部位的内部，所述贯通性空腔依然存在。人工合成一次性得到的导电纤维网络与先人工合成再经过导电化处理得到的导电纤维网络也都具有上述网络结构特征。
基于本发明实施例提出一种基于导电纤维网络的柔性器件结构及其制备方法中，其制备方法总体上可以概括为以下步骤，图2示出了该制备方法的总体流程，包括：
S1、通过对天然纤维网络或人造纤维网络进行导电化处理，得到导电纤维网络；或完全通过人工合成得到导电纤维网络
S2、导电纤维网络连接电极和电极引线
S3、使用弹性体对连接有电极和电极引线的导电纤维网络进行封装
本发明实施例提供了一种基于导电纤维网络的柔性传感器的制备方法，包括步骤：
S1、利用纺丝方法在基底上构建出微血管状的骨架结构，保证所述骨架结构的每一部分都是都由多根沿轴向排列的实心细纤维组成的纤维束；
S2、继而，在步骤S1制得的骨架结构上附着导电薄膜，骨架结构暴露出来的每一部分都被导电薄膜完全包裹住，使得所述实心细纤维均无外露；
S3、去除步骤S1制得的骨架结构而不破坏导电薄膜的完整性，得到导电纤维网络；
S4、在制得的导电纤维网络两端的表面各连接一个电极和一个电极引线；
S5、利用弹性体材料对连有电极和电极引线的导电纤维网络进行填充封装，制得柔性传感器。
在一个具体实施例中，所述步骤S2、S3具体包括：
将湿法纺丝得到的聚苯乙烯(PS)或聚氨酯(PU)聚合物骨架结构浸泡在浓度为5mg/ml的MXene/氧化石墨烯(GO)混合溶液中，反复提拉后再干燥，使得骨架结构暴露出来的每一部分都被MXene/GO复合物薄膜完全包裹住。
将上述包覆好MXene/GO薄膜的骨架结构置入快速热退火炉中，先抽真空至气压1×10-6Pa除气，再以4.9L/min的流速通入氮气恢复到常压状态，接着在氮气氛围下以10℃/s的升温速率升到150℃并保持20s，然后继续以10℃/s的升温速率升到450℃保持5min，随后冷却至室温取出。氮气氛围下450℃的热处理，纺丝得到的聚合物骨架会发生气化从而完全去除，与此同时包裹在骨架表面的MXene/GO复合物薄膜中的GO在高温下还原为还原氧化石墨烯(rGO)，而MXene在高温下保持不变，从而得到了纤维横截面为多孔隙结构的Mxene/rGO导电纤维网络。
图3为本发明实施例提供的一种基于导电纤维网络的柔性器件结构及其制备方法中，一种基于导电纤维网络的柔性传感器的示意图。其中，导电纤维网络1与电极5相连，然后用弹性体材料2封装。
本发明实施例提供了一种基于导电纤维网络的柔性吸波/传感多功能器件的制备方法，包括步骤：
S1’、选择天然维管束植物纤维作为原料，对其进行碱化处理，清洗干燥后得到纤维网络；
S2’、将步骤S1制得的纤维网络浸入铁离子溶液中，使得铁离子溶液充满整个纤维网络；
S3’、将步骤S2’处理好的纤维网络取出后烘干，继而在真空或惰性气氛下对其进行高温退火处理，在使得纤维网络导电的同时，也形成铁氧体颗粒并附着在纤维内部的多孔隙结构中，得到承载有铁氧体磁损耗吸波材料的导电纤维网络；
S4’、在制得的导电纤维网络两端的表面各连接一个电极及一个电极引线；
S5’、使用弹性体材料对S4’所制得的导电纤维网络进行填充封装，弹性体完全固化后得到柔性吸波/传感多功能器件。
在一个实施例中，所述步骤S1具体包括：
取一定量天然维管束植物纤维先置于质量分数为5％的NaOH溶液中煮练2h，煮练温度为98℃；取出纤维在蒸馏水中水洗，然后置于质量浓度为1.0g/L的硫酸溶液中酸洗10min，水洗和酸洗均在常温进行；最后将纤维放入3.0g/L的H2O2溶液中处理1h，温度为80℃，然后取出水洗、烘干。
通过NaOH的碱性处理，可将天然植物纤维中的果胶、木质素和半纤维素去除，纤维表面更加粗糙，表面结构的褶皱更明显，增加了比表面积，并形成许多裂缝和微孔洞，有利于后续溶液进入到纤维内部的多孔隙结构中。整个处理过程不会破坏纤维原有的网络形态与内部结构。
多孔隙的纤维结构可以让电磁波在纤维内部多个空腔界面发生多次反射和吸收，实现内部多重反射损耗；另外，多孔隙结构更容易承载电磁屏蔽功能材料，可以方便制备复合式吸波材料，提升了吸波性能。在一个可选实施例中，步骤S2’所述的铁离子溶液可以是由FeCl3·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O、FeSO4·7H2O中的一种配置出的水溶液。
本发明实施例提供了一种基于导电纤维网络的柔性吸波/传感多功能器件的
图4为本发明实施例提供的一种基于导电纤维网络的柔性器件结构及其制备方法中，一种基于导电纤维网络的柔性吸波/传感多功能器件的示意图。其中内部附着吸波材料的导电纤维网络6与电极5相连，然后用用弹性体材料2封装。由单根纤维的截面图(内部附着吸波材料的单根纤维的截面7)可以看出，单根纤维的细管状贯通性空腔中附着有吸波材料。
制备方法中，导电纤维网络可以不连接电极直接用弹性体材料封装，从而独立地作为柔性吸波器件，此时弹性体材料可以选用聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)、聚3,4-乙烯基二氧噻吩(PEDOT)等导电聚合物。
图5为本发明提供的一种基于导电纤维网络的柔性吸波/传感多功能器件的制备方法中，独立作为柔性吸波器件时，器件的示意图。其中内部附着吸波材料的导电纤维网络6不连接电极，直接用弹性体材料2封装。由单根纤维的截面图(内部附着吸波材料的单根纤维的截面7)可以看出，单根纤维的细管状贯通性空腔中附着有吸波材料。
本发明还提供了一种基于导电纤维网络的柔性温度/应变/压力多功能传感器的制备方法，包括步骤，
s1、选择干燥天然维管束植物纤维网络作为原料，在真空或惰性气氛下直接对其进行高温退火处理，得到导电纤维网络；
s2、在制得的导电纤维网络两端的表面各连接一个电极及一个电极引线；
s3、将具备高热膨胀系数的微米和/或纳米颗粒均匀分散在弹性体溶液中，得到混有微纳颗粒的弹性体溶液；
s4、使用步骤s3制得的混有微纳颗粒的弹性体溶液对步骤s2制得的导电纤维网络进行填充封装，弹性体完全固化后制得柔性温度/压力/应变多功能传感器。
图6为本发明实施例提供的一种基于导电纤维网络的柔性器件结构及其制备方法中，一种基于导电纤维网络的柔性温度/压力/应变多功能传感器的示意图。其中，导电纤维网络1连接电极5后，封装在混合有高热膨胀系数微纳颗粒8的弹性体材料2中。
在本实施例中，弹性体中所添加的具备高热膨胀系数的微米和/或纳米颗粒在受热膨胀或遇冷收缩时可以牵动弹性体，使弹性体产生形变进而牵拉/挤压导电纤维网络，从而引发导电纤维网络的电阻变化，最终实现温度传感。当弹性体直接受到外部的拉力或压力时，弹性体同样会产生明显形变，进而牵拉/挤压导电纤维网络，同样引发导电纤维网络的电阻变化，最终实现压力/应变传感。
需要说明的是，本发明实施例提供的一种基于导电纤维网络的温度传感器的制备方法中，所选用的具备高热膨胀系数微米和/或纳米颗粒，可以由有机材料制成也可由无机材料制成，可以是实心颗粒也可以是空心颗粒。优选硅胶颗粒或聚二甲基硅氧烷(PDMS)颗粒。
由此以来，封装导电纤维网络的弹性体可以是热膨胀系数较低的弹性体材料，即其自身形变对温度变化不敏感。完全依靠高热膨胀系数的微米和/或纳米颗粒在受热膨胀、遇冷收缩时的牵拉/挤压产生形变。显然，本发明实施例拓展了弹性体的可选择范围。
同时，在弹性体中引入微米和/或纳米颗粒，可以调节弹性体的杨氏模量，在受到外部压力时可以产生更大的形变从而提升多功能柔性传感器的压力传感性能。
本发明实施例还提供了另一种基于导电纤维网络的柔性温度/应变/压力多功能传感器的制备方法，包括步骤：
s1’、选择干燥的天然维管束植物纤维网络作为原料，在真空或惰性气氛下直接对其进行高温退火处理，得到导电纤维网络；
s2’、在制得的导电纤维网络两端的表面各连接一个电极及一个电极引线；
s3’、利用具有高热膨胀系数的弹性体材料对连有电极和电极引线的导电纤维网络进行填充封装，弹性体完全固化后制得柔性温度/应变/压力多功能传感器。
图7为本发明实施例提供的一种基于导电纤维网络的柔性器件结构及其制备方法中，基于导电纤维网络的柔性温度/压力/应变多功能传感器的示意图。其中，导电纤维网络1连接电极5后，封装在具有高热膨胀系数的弹性体材料9中。
实施例1
S1，配置特定浓度的聚氨酯溶液(溶剂为N,N-二甲基乙酰胺)，搅拌均匀，静置2小时消除气泡。在合适的纺丝条件下(纺丝电压15kV，接收距离10cm)，设置推进速度为0.1mL/h，在自行搭建的静电纺丝装置上进行纺丝，在基底上构建微血管状的骨架结构；
S2，将上述骨架结构在5mg/ml的MXene/氧化石墨烯(GO)混合溶液中浸泡，确保骨架结构暴露出来的每一部分都被MXene/GO混合物薄膜完全包裹住；
S3，将上述包覆薄膜的骨架结构置入快速热退火炉中，先抽真空至气压为1×10- 6Pa，再以4.9L/min的速度持续通入氮气；以10℃/s的升温速率升到150℃并保持20s，然后以10℃/s的升温速率升到450℃保持5min，随后冷却至室温取出；
S4，在制得的导电纤维网络两端涂敷银胶，再通过银胶链接铜导线；
S5，将上述的带有电极的导电纤维网络置于顶部开口的立方体模板容器中，倒入硅胶，使硅胶完全没过导电纤维网络并且充分填充到纤维网络的空隙中；在室温下固化4小时后，得到柔性温度/应变/压力多功能传感器。
实施例2
S1、选取干燥的天然丝瓜络切块为原材料，将其放入98摄氏度，质量分数为5％的NaOH溶液中，煮练2小时，然后在酸溶液中中和，
再水洗烘干；
S2、将S1得到的天然丝瓜络置于1mol L-1的FeCl3·6H2O溶液中，使其全部浸没，浸泡12小时，通过毛细管效应使得铁离子溶液充满整个纤维网络；
S3、取出浸泡过的丝瓜络，待其上溶液沥干，放入洁净烧杯中，将烧杯放入80℃的烘箱中恒温干燥2小时。再将其置入管式炉中，将管式炉抽至真空，在500℃温度下加热2小时，升温速率为10℃min-1，随后冷却至室温取出；
S4、将所得到的导电纤维网络两端涂敷导电银胶后，通过银胶与铜导线连接；
S5、将上述的带有电极的导电纤维网络置于顶部开口的立方体模板容器中，倒入硅胶，使硅胶完全没过导电纤维网络并且充分填充到纤维网络的空隙中；在室温下固化4小时后，得到柔性柔性吸波/传感多功能器件。
实施例3
S1、选取干燥的天然丝瓜络切块为原材料，将其放入98摄氏度，质量分数为5％的NaOH溶液中，煮练2小时，然后在酸溶液中中和，再水洗烘干；
S2、将S1得到的天然丝瓜络置于1mol L-1的FeCl3·6H2O溶液中，使其全部浸没，浸泡12小时，通过毛细管效应使得铁离子溶液充满整个纤维网络；
S3、取出浸泡过的丝瓜络，待其上溶液沥干，放入洁净烧杯中，将烧杯放入80℃的烘箱中恒温干燥2小时。再将其置入管式炉中，将管式炉抽至真空，在500℃温度下加热2小时，升温速率为10℃min-1，随后冷却至室温取出；
S4、将上述的导电纤维网络置于顶部开口的立方体模板容器中，倒入聚吡咯(PPy)，完全没过导电纤维网络并且充分填充到纤维网络的空隙中；在室温下固化4小时后，制得柔性吸波材料。
实施例4
S1、以葫芦瓤纤维网络为原材料，将其置入快速热退火炉中，先抽真空至气压为1×10-6Pa，再以4.9L/min的速度持续通入氮气；以10℃/s的升温速率升到300℃并保持20s，然后以10℃/s的升温速率升到850℃保持5min，随后冷却至室温取出；
S2、将S1得到的导电纤维网络两端涂敷导电银胶后，通过银胶与铜导线连接；
S3、将上述的导电纤维网络置于顶部开口的立方体模板容器中，倒入混合有硅胶质微米颗粒的聚对苯二甲酸乙二醇酯，使其完全没过导电纤维网络并且充分填充到纤维网络的空隙中；在室温下固化12小时后，制得基于导电纤维网络的柔性温度/压力/应变多功能传感器。
实施例5
S1、选取干燥的南瓜瓤纤维网络的切块为原材料，将其置入快速热退火炉中，先抽真空至气压为1×10-6Pa，再以4.9L/min的速度持续通入氮气；以10℃/s的升温速率升到300℃并保持20s，然后以10℃/s的升温速率升到850℃保持5min，随后冷却至室温取出；
S2、将所得到的导电纤维网络两端涂敷导电银胶后，通过银胶与铜导线连接；
S3、将上述的带有电极的导电纤维网络置于顶部开口的立方体模板容器中，倒入硅胶，使硅胶完全没过导电纤维网络并且充分填充到纤维网络的空隙中；在室温下固化4小时后，得到柔性温度/应变/压力多功能传感器。
本发明实施例中提供的柔性器件的结构简单，易于制备，依赖所述导电纤维网络可实现吸波、温度传感、应变传感、压力传感等多种柔性器件功能，还可集多种上述功能于一身。本发明制备的柔性器件可直接贴于皮肤或附着在衣物或其它可穿戴配件上用于人体运动监测、生命体征监测、姿态矫正、电磁屏蔽等场景。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (13)

1.一种基于导电纤维网络的柔性器件结构，其特征在于，至少包括：导电纤维网络和封装所述导电纤维网络的弹性体材料；所述导电纤维网络中导电纤维之间相互连接、内部连通，从一根导电纤维的内部到达另外一根导电纤维的内部存在多条通路，且所述导电纤维的内部沿轴向具有多个细管状的贯通性空腔，所述导电纤维的内部包括所述导电纤维相互连接的部位的内部，使得所述导电纤维的横截面为多孔隙结构；所述导电纤维之间有空隙，所述空隙被所述弹性体材料完全填充，所述导电纤维也被所述弹性体材料完全包裹，导电纤维不外露；所述导电纤维网络的结构为微血管状；所述导电纤维网络的制备包括：
S1、通过纺丝法在基底上构建出微血管状的骨架结构；使所述骨架结构的各部分均是由多根沿轴向排列的实心细纤维组成的纤维束；
S2、在步骤S1制得的骨架结构上附着导电薄膜，所述骨架结构暴露出来的各部分被所述导电薄膜包裹，使所述实心细纤维无外露；
S3、去除步骤S1制得的所述骨架结构而不破坏导电薄膜的完整性，得到导电纤维网络；
或所述导电纤维网络的制备包括：
S1、以天然维管束植物纤维网络为原材料，将其置入快速热退火炉中，先抽真空至气压为1×10-6 Pa，再以4.9L/min的速度持续通入氮气；以10℃/s的升温速率升到300℃并保持20s，然后以10℃/s的升温速率升到850℃保持5min，随后冷却至室温取出，得到导电纤维网络。
2.根据权利要求1所述的基于导电纤维网络的柔性器件结构，其特征在于，所述导电纤维网络的材料选自导电碳材料、金属、导电聚合物以及由它们组成的导电复合材料中的一种或多种；所述导电聚合物选自聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚对苯撑乙烯、聚芳香撑乙烯的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的基于导电纤维网络的柔性器件结构，其特征在于，所述导电纤维网络的材料为导电碳材料。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于导电纤维网络的柔性器件结构，其特征在于，所述导电纤维网络为二维导电纤维网络或三维导电纤维网络。
5.根据权利要求4所述的基于导电纤维网络的柔性器件结构，其特征在于，所述导电纤维网络的内部孔隙和/或外表面承载吸波材料，所述吸波材料选自电阻型吸波材料、介电损耗型吸波材料和磁损耗型吸波材料中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的基于导电纤维网络的柔性器件结构，其特征在于，所述弹性体材料为热固性弹性体和/或热塑性弹性体。
7.根据权利要求6所述的基于导电纤维网络的柔性器件结构，其特征在于，所述弹性体材料选自天然橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、硅胶、聚氨酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的基于导电纤维网络的柔性器件结构，其特征在于，所述弹性体材料的热膨胀系数大于50×10-6/℃；和/或，所述弹性体材料的内部分散有微米颗粒和/或纳米颗粒，所述微米颗粒和所述纳米颗粒的粒热膨胀系数大于50×10-6/℃。
9.一种基于导电纤维网络的柔性器件，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的基于导电纤维网络的柔性器件结构，还包括：电极和/或电极引线，所述电极和/或电极引线与所述导电纤维网络连接。
10.根据权利要求9所述的基于导电纤维网络的柔性器件，其特征在于，所述电极的材料选自固态导电材料、液态导电材料和导电聚合物中的一种或多种；所述液态导电材料选自导电液、导电浆料和导电凝胶中的一种或多种，所述导电聚合物包括内部混合分散有炭黑、碳纳米管、碳纤维、银浆、石墨烯、Mxene、金属纳米线和金属纳米颗粒中的一种或多种的高分子材料；所述电极引线选自金属丝、金属片和导电胶带中的一种或多种。
11.一种权利要求9或10所述基于导电纤维网络的柔性器件的制备方法，其特征在于，包括：
s1、通过纺丝法在基底上构建出微血管状的骨架结构；使所述骨架结构的各部分均是由多根沿轴向排列的实心细纤维组成的纤维束；
s2、在步骤S1制得的骨架结构上附着导电薄膜，所述骨架结构暴露出来的各部分被所述导电薄膜包裹，使所述实心细纤维无外露；
s3、去除所述骨架结构，得到导电纤维网络；
s4、在所述导电纤维网络两端的表面各连接一个电极和一个电极引线；
s5、利用弹性体材料对连有电极和电极引线的导电纤维网络进行填充，弹性体材料固化后，完成封装，制得柔性温度/应变/压力多功能传感器。
12.一种权利要求9或10所述的基于导电纤维网络的柔性器件的制备方法，其特征在于，包括：
s1’、以天然维管束植物纤维网络为原材料，将其置入快速热退火炉中，先抽真空至气压为1×10-6 Pa，再以4.9L/min的速度持续通入氮气；以10℃/s的升温速率升到300℃并保持20s，然后以10℃/s的升温速率升到850℃保持5min，随后冷却至室温取出，得到导电纤维网络；
s2’、在步骤s1’制得的所述导电纤维网络两端的表面各连接一个电极及一个电极引线；
s3’、将具备高热膨胀系数的微米颗粒和/或纳米颗粒均匀分散在弹性体材料的溶液中，得到混有微纳颗粒的弹性体溶液；高热膨胀系数的微米颗粒和/或纳米颗粒为硅胶颗粒；
s4’、使用步骤s3’制得的混有微纳颗粒的弹性体溶液对步骤s2’处理的导电纤维网络进行填充，弹性体材料固化后，完成封装，制得柔性温度/应变/压力多功能传感器。
13.权利要求1-8任一项所述基于导电纤维网络的柔性器件结构或权利要求9或10所述基于导电纤维网络的柔性器件的应用，其特征在于，在医疗健康监护、人机交互、智能传感系统中的应用；应用中柔性器件结构或柔性器件的电阻随应变增加或压力增加或温度升高均表现出增大。
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