CN114411413A - 一种液态金属压力传感纤维阵列及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液态金属压力传感纤维阵列及其制备方法，该液态金属压力传感纤维阵列，包括：a)柔性纤维；b)覆盖所述柔性纤维的液态金属包覆层；和c)在所述液态金属包覆层表面上的封装层。本发明提供的液态金属压力传感纤维阵列，针对液态金属在形变时产生的电阻变化，通过电信号可以直接反馈纤维所受到的外力和所产生的形变，能够很好的实现应力‑应变的检测，可广泛应用于柔性、传感等领域。

Description

一种液态金属压力传感纤维阵列及其制备方法
技术领域
本发明涉及传感技术领域，具体涉及一种液态金属压力传感纤维阵列及其制备方法。
背景技术
压力传感技术在很多领域有着重要的应用，在信息、机器人等领域有着越来越广泛的应用，目前，传感技术主要是以传感材料通过具压电功能的金属、半导体或高分子材料通过变形的方式来改变电学性能。但是成本高、精度有限，液态金属具有金属和流体的特征，在压力传感领域具有重要的应用前景，然而液态金属的表面张力很大，很难形成固定的形态或者是和其他材料产生很好的粘附性，而且尚无关于液态金属能够有效用于压力传感的相关报道。目前亟需提供一种新的柔性结构实现应力-应变的快速精确检测的传感材料。
发明内容
本发明实施例提供一种液态金属压力传感纤维阵列，该液态金属压力传感纤维阵列，针对液态金属在形变时产生的电阻变化，通过电信号可以直接反馈纤维所受到的外力和所产生的形变，能够很好的实现应力-应变的检测，可广泛应用于柔性、传感等领域。
本发明实施例提供一种液态金属压力传感纤维阵列，包括：
a)柔性纤维；
b)覆盖所述柔性纤维的液态金属包覆层；
c)在所述液态金属包覆层表面上的封装层。
本方面实施例提供的液态金属压力传感纤维阵列，可通过不同长度的纤维(液态金属压力传感纤维)，可以测试不同范围的力，形成阵列，增加测试范围。
本发明中，通过将液态金属覆盖在柔性纤维表面，通过纤维的形变改变其电阻。根据纤维应力-应变-电阻之间的关系，得出一系列对应的数值，通过电阻变化可以推断出纤维的应变(形变)和应力。
在一些优选实施例中，所述柔性纤维的直径为75～500μm。
在一些优选实施例中，所述液态金属包覆层的层厚为2～50μm优选10～50μm。
在一些优选实施例中，所述封装层的层厚为10～50μm优选10～30μm。
在一些优选实施例中，所示柔性纤维为PBT和PET的复合物，或，所述柔性纤维包括：纤维内芯，以及覆盖所述纤维内芯的柔性纤维层；所述液态金属包覆层覆盖所述柔性纤维的柔性纤维层。
在一些优选实施例中，所述纤维内芯为碳纤维丝或铜纤维丝，优选的，所述纤维内芯为碳纤维丝，所述纤维内芯的直径为20～50μm，所述纤维内芯的表面粗糙，优选粗糙度为10～50nm。本发明中，采用碳纤维作为商业碳纤维，与液态金属层共同使用能够进一步解决导电的问题，具有更好的导电性。采用表面粗糙的纤维内芯能够提高碳纤维和PET登材料的结合力。
在一些优选实施例中，所述柔性纤维层为PBT(聚对苯二甲酸四次甲基酯)和PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)的复合物；优选的，所述柔性纤维层的层厚为20～200μm优选20～50μm。
发明人研究发现，通过进一步采用上述各层及其层厚，具有提高柔性的作用，同时具有更好的力学性能。
在一些优选实施例中，PBT和PET的质量比为99:1～1:99，PBT和PET的质量比优选为20:80～60:40。
在一些优选实施例中，所述液态金属为镓铟液态金属、镓铟锡液态金属或铋铟锡液态金属；和/或，所述封装层为硅橡胶预聚物。
本发明实施例还提供了所述液态金属压力传感纤维阵列的制备方法，包括：提供所述柔性纤维，在所述柔性纤维上覆盖所述液态金属包覆层，然后在所述液态金属包覆层上覆盖所述封装层。
在一些优选实施例中，包括以下步骤：
1)将PBT和PET混合后加热，挤塑成形，冷却，得柔性纤维；
2)通过沾取或涂覆液态金属，在所述柔性纤维表面覆盖液态金属层；然后沾取硅橡胶预聚物，进行加热处理，在所述液态金属层表面覆盖封装层。
在一些优选实施例中，步骤1)中，所述加热的温度为90～190℃，所述冷却处理采用10～20℃的水处理；和/或，步骤2)中，所述加热的温度为60～80℃优选70℃，加热时间为1～2h。
在一些优选实施例中，还包括：当PBT和PET的混合物加热至玻璃转化温度时，加入纤维内芯优选为碳纤维丝，进行挤塑成型，制备中间含有纤维内芯的柔性纤维。本发明通过采用挤塑-冷却方法，能够更好的保持纤维的力学和柔性。
在一些优选实施例中，采用孔状模具进行所述挤塑成形；优选所述孔状模具孔内具有一定粗糙度。
本发明的有益效果至少在于：本发明提供的液态金属压力传感纤维阵列，通过将液态金属附着在柔性纤维表面，形成导电层，通过弯曲纤维，改变导电层电阻，实现应力-应变-电阻的一一对应关系。并且可以有效提高液态金属电阻变化的精确测量，快速反应外界对于纤维形态的影响，检测到的最小力为10-6N，最小电阻变化为1μΩ，实现了应力-应变的快速检测。
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2液态金属包裹柔性纤维结构示意图；
图2为本发明实施例1中液态金属覆盖纤维过程图；
图3为本发明实施例1中液态金属附着在纤维表面的图片；
图4为本发明实施例1中液态金属纤维对电阻的影响示意图；
图5为本发明实施例1中液态金属线力学测试过程图；
图6为本发明实施例3中液态金属包裹柔性纤维结构局部示意图；
图7为本发明实施例4中使用的孔模具示意图；
图中，1为纤维内芯，2为柔性纤维层，3为液态金属包覆层，4为封装层。
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。
本发明一些实施方式提供一种液态金属压力传感纤维阵列，包括：
a)柔性纤维；
b)覆盖所述柔性纤维的液态金属包覆层；和
c)在所述液态金属包覆层表面上的封装层；
所述柔性纤维为质量比为99:1～1:99的PBT和PET的复合物，所述柔性纤维的直径为75～500μm；所述液态金属包覆层的层厚为20～50μm；所述封装层的层厚为20～50μm；所述液态金属为镓铟液态金属、镓铟锡液态金属或铋铟锡液态金属；所述封装层为硅橡胶预聚物。此方案中，PET/PBT纤维表面涂覆液态金属之后，两端链接直流电源，弯曲纤维对纤维电阻变化有明显影响。
本发明一些实施方式提供一种液态金属压力传感纤维阵列，包括：
a)柔性纤维；所述柔性纤维包括：
纤维内芯，以及
覆盖所述纤维内芯的柔性纤维层；
b)覆盖所述柔性纤维的液态金属包覆层；
c)在所述液态金属包覆层表面上的封装层；
所述纤维内芯为碳纤维丝，所述柔性纤维层为质量比为99:1～1:99的PBT和PET的复合物，所述柔性纤维的直径为75～500μm；所述液态金属包覆层的层厚为20～50μm；所述封装层的层厚为10～30μm；所述纤维内芯的直径为20～50μm；所述柔性纤维层的层厚为20～200μm；所述液态金属为镓铟液态金属、镓铟锡液态金属或铋铟锡液态金属；所述封装层为硅橡胶预聚物。此方案中，当纤维表面覆盖液态金属之后，液态金属和纤维内部的碳纤维形成回路，两端接直流电之后，弯曲形变会对电阻有灵敏的反应。
本发明一些实施方式提供一种液态金属压力传感纤维阵列的制备方法，具体包括以下步骤：
1)将PBT和PET混合后在90～190℃下加热，进行挤塑成形，然后采用10～20℃的水进行冷却，得到柔性纤维；
2)通过沾取或涂覆液态金属，在所述柔性纤维表面覆盖液态金属层；然后沾取硅橡胶预聚物，在70℃下加热1～2h，在所述液态金属层表面覆盖封装层。
本发明一些实施方式提供一种液态金属压力传感纤维阵列的制备方法，具体包括以下步骤：
1)将PBT和PET混合后在90～190℃下加热，当PBT和PET的混合物加热至玻璃转化温度时，加入碳纤维丝，采用孔状模进行挤塑成型，制备中间含有碳纤维丝的柔性纤维，然后采用10～20℃的水进行冷却，得柔性纤维；
2)通过沾取或涂覆液态金属，在所述柔性纤维表面覆盖液态金属层；然后沾取硅橡胶预聚物，在70℃下加热1～2h，在所述液态金属层表面覆盖封装层。
实施例1
本实施例提供一种液态金属压力传感纤维：
a)柔性纤维；
b)覆盖所述柔性纤维的液态金属包覆层；
c)在所述液态金属包覆层表面上的封装层；
所述柔性纤维的直径为80μm；所述液态金属为GaIn10；所述封装层为硅橡胶预聚物；所述柔性纤维为质量比为50:50的PBT和PET的复合物；所述液态金属包覆层的层厚为30μm；所述封装层的层厚为50μm；
本实施例还提供上述液态金属压力传感纤维的制备方法，所述方法如下：
(1)将PBT和PET按比例混合之后在125℃下加热，达到玻璃化温度后混合物成为蠕变状态时，通过挤塑机压进孔模具，快速拉伸成丝，再经过15℃低温水处理之后，得到纤维；
(2)通过涂覆的方式，将液态金属涂覆在表面，形成液态金属层。通过沾取硅橡胶预聚物，加热到70℃，2h，表面绝缘封装；
对实施例1中制备好的液态金属纤维进行测试，如图2所示，其具有良好的导电性，随着涂覆的次数增加，电阻减小，涂覆7-8次，电阻不再发生明显变化。图3为实施例1中液态金属附着在纤维表面的图片。当纤维弯曲时，会导致纤维的电阻变化，如图4所示，纤维弯曲过程中，电阻增加。图5为实施例1中液态金属线力学测试过程图，根据纤维的应力-应变数据，可以通过电阻变化获得纤维所产生的应力和应变，从而实现传感的功能。测试过程中，通过直流电源1V，1A。
实施例2
本实施例提供一种液态金属压力传感纤维及制备方法，同实施例1，区别在于：
所述柔性纤维包括：纤维内芯1(碳纤维丝)，以及覆盖所述纤维内芯1的柔性纤维层2(同实施例1中的柔性纤维)；所述纤维内芯的直径为20μm；所述柔性纤维层的层厚为100μm。如图1所示，液态金属包覆层3包裹柔性纤维(纤维内芯1混合柔性纤维层2)，封装层4在所述液态金属包覆层3表面上，其制备过程中，当PBT和PET混合物达到玻璃转化温度时，在孔模具中加入碳纤维丝，挤塑得到中间含有碳纤维丝的柔性纤维，再通过外表面制备液态金属层及封装层。
通过对实施例2检测：具体为：外接电源正极(或负极)链接中心碳纤维；另一端链接外部液态金属，形成闭路。其他步骤如实施例1，通过电阻变化，直接可以判断纤维所产生的应力和应变。
实施例3
采用同实施例2的方法，不同之处在于将纤维内芯改为铜丝，如图6所示。
实施例4
本实施例提供一种液态金属压力传感纤维及制备方法。同实施例1，区别仅在于：柔性纤维的表面粗糙。为了增加液态金属和纤维的浸润性，在制备柔性纤维过程中选择具有一定粗糙度的孔模具(孔内的粗糙度为10～50nm)，如图7所示，制备的具有多种棱角的纤维，纤维粗糙度的增加，可以有效提高液态金属和纤维之间的浸润性，从而增加液态金属和纤维之间的粘附力，增加传感结果的准确度。
实施例5
采用同实施例2的纤维和方法，不同之处在于，制备不同长度的纤维，形成阵列，增加测试范围。
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 (10)

1.一种液态金属压力传感纤维阵列，其特征在于，包括：
a)柔性纤维；
b)覆盖所述柔性纤维的液态金属包覆层；
c)在所述液态金属包覆层表面上的封装层。
2.根据权利要求1所述的液态金属压力传感纤维阵列，其特征在于，所述柔性纤维的直径为75～500μm；和/或，所述液态金属包覆层的层厚为2～50μm；和/或，所述封装层的层厚为10～30μm。
3.根据权利要求2所述的液态金属压力传感纤维阵列，其特征在于，所述柔性纤维包括：纤维内芯，以及覆盖所述纤维内芯的柔性纤维层；所述液态金属包覆层覆盖所述柔性纤维的柔性纤维层。
4.根据权利要求3所述的液态金属压力传感纤维阵列，其特征在于，所述纤维内芯为碳纤维丝或铜纤维丝，优选的，所述纤维内芯的直径为20～50μm。
5.根据权利要求3所述的液态金属压力传感纤维阵列，其特征在于，所述柔性纤维层为PBT和PET的复合物；优选的，所述柔性纤维层的层厚为20～50μm；和/或，PBT和PET的质量比为99:1～1:99。
6.根据权利要求1所述的液态金属压力传感纤维阵列，其特征在于，所述液态金属为镓铟液态金属、镓铟锡液态金属或铋铟锡液态金属；和/或，所述封装层为硅橡胶预聚物。
7.权利要求1～6任一项所述液态金属压力传感纤维阵列的制备方法，其特征在于，包括：提供所述柔性纤维，在所述柔性纤维上覆盖所述液态金属包覆层，然后在所述液态金属包覆层上覆盖所述封装层。
8.根据权利要求7所述的液态金属压力传感纤维阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将PBT和PET混合后加热，挤塑成形，冷却，得柔性纤维；
2)通过沾取或涂覆液态金属，在所述柔性纤维表面覆盖液态金属层；然后沾取硅橡胶预聚物，进行加热处理，在所述液态金属层表面覆盖封装层；优选的
步骤1)中，所述加热的温度为90～190℃，所述冷却处理采用10～20℃的水处理；和/或，步骤2)中，所述加热的温度为60～80℃优选70℃，加热时间为1～2h。
9.根据权利要求8所述的液态金属压力传感纤维阵列的制备方法，其特征在于，还包括：当PBT和PET的混合物加热至玻璃转化温度时，加入纤维内芯，进行挤塑成型，制备中间含有纤维内芯的柔性纤维。
10.根据权利要求8或9所述的液态金属压力传感纤维阵列的制备方法，其特征在于，采用孔状模具进行所述挤塑成形。
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