CN114739354B - 一种应变传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明申请公开了一种应变传感器及其制备方法，应变传感器包括第一EVA热熔网膜、CNTs和第二EVA热熔网膜，所述CNTs设置在所述第一EVA热熔网膜的一侧，所述第二EVA热熔网膜设置在所述CNTs远离所述第一EVA热熔网膜的一侧。本发明通过采用第一EVA热熔网膜、CNTs和第二EVA热熔网膜制备三明治结构的复合膜应变传感器，材料成本较低，结构简单。并且通过干法制备工艺(平铺EVA热熔网膜、刷涂CNTs、压机加热加压)进行应变传感器的制备，具有制备工艺简单的优点，并且使制备得到的应变传感器具有较高的杨氏模量和拉伸强度，同时具备高灵敏度和优异的耐久性。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其是一种应变传感器及其制备方法。
背景技术
聚合物基体和碳纳米填料的优异性能使得掺杂炭黑(CB)或碳纳米管(CNTs)的导电聚合物复合材料(CPCs)成为最适合制备传感器的材料之一。这种聚合物复合材料兼具导电性和机械柔性，并且具有轻质、稳定等特点，在柔性传感器的制备方面具有极大的潜力。
随着新材料的不断开发以及微纳米技术的进步，采用柔性功能复合材料制备高效的应变传感器的研究也得到了越来越广泛的关注。然而，目前制备的应变传感器仍然存在力学性能较差并且不能兼顾灵敏度、导电性和柔性的不足，并且由于制备工艺的复杂流程，使得材料成本较高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种应变传感器及其快速有效的制备方法。
本发明实施例一方面所采取的技术方案是：
一种应变传感器，包括：
第一EVA热熔网膜，包括多层EVA热熔网膜；
CNTs，设置在所述第一EVA热熔网膜的一侧；
第二EVA热熔网膜，包括多层EVA热熔网膜，所述第二EVA热熔网膜设置在所述CNTs远离所述第一EVA热熔网膜的一侧。
作为一种可选的实施方式，所述CNTs为干燥粉末状。
作为一种可选的实施方式，所述CNTs的质量为0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g和0.6g中的任意一个。
作为一种可选的实施方式，所述第一EVA热熔网膜和所述第二EVA热熔网膜与所述CNTs接触的一面的尺寸为10*10cm2。
作为一种可选的实施方式，所述第一EVA热熔网膜和所述第二EVA热熔网膜的密度为38g/m2。
作为一种可选的实施方式，所述第一EVA热熔网膜和所述第二EVA热熔网膜的层数相等。
作为一种可选的实施方式，所述第一EVA热熔网膜和所述第二EVA热熔网膜的层数为3-6层。
本发明实施例另一方面所采取的技术方案是：
一种应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
平铺第一EVA热熔网膜，所述第一EVA热熔网膜包括多层EVA热熔网膜；
在所述第一EVA热熔网膜的一侧刷涂CNTs；
在所述CNTs远离所述第一EVA热熔网膜的一侧平铺第二EVA热熔网膜，所述第二EVA热熔网膜包括多层EVA热熔网膜；
通过压机对所述第一EVA热熔网膜、所述CNTs和所述第二EVA热熔网膜组成的结构进行加热加压处理，完成所述应变传感器的制备。
作为一种可选的实施方式，所述通过压机对所述第一EVA热熔网膜、所述CNTs和所述第二EVA热熔网膜组成的结构进行加热加压处理，包括：
通过压机以120-160℃的温度、80-120N的压力对所述结构进行2-25min的加热加压处理。
本发明实施例的应变传感器及其制备方法，通过采用第一EVA热熔网膜、CNTs和第二EVA热熔网膜制备三明治结构的复合膜应变传感器，材料成本较低，结构简单。并且通过干法制备工艺(平铺EVA热熔网膜、刷涂CNTs、压机加热加压)进行应变传感器的制备，具有制备工艺简单的优点，并且使制备得到的应变传感器具有较高的杨氏模量和拉伸强度，同时具备高灵敏度和优异的耐久性。
附图说明
图1为本发明实施例应变传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例应变传感器的制备方法流程图；
图3为本发明实施例应变传感器的Stress vs Strain折线图；
图4为本发明实施例应变传感器的RCR vs Strain散点图(Strechting velocityof 6mm/min)；
图5为本发明实施例应变传感器的力学性能柱状图；
图6为本发明实施例应变传感器的应用于手套上时的电阻相对变化值示意图；
图7为本发明实施例应变传感器的循环拉伸变化示意图；
图8为本发明实施例应变传感器的循环拟合示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
聚合物基体和碳纳米填料的优异性能使得掺杂炭黑(CB)或碳纳米管(CNTs)的导电聚合物复合材料(CPCs)成为最适合制备传感器的材料之一。这种聚合物复合材料兼具导电性和机械柔性，并且具有轻质、稳定等特点，在柔性传感器的制备方面具有极大的潜力。随着新材料的不断开发以及微纳米技术的进步，采用柔性功能复合材料制备高效的应变传感器的研究也得到了越来越广泛的关注。然而，目前制备的应变传感器仍然存在力学性能较差并且不能兼顾灵敏度、导电性和柔性的不足，并且由于制备工艺的复杂流程，使得材料成本较高。
为此，本发明实施例提出了一种应变传感器及其制备方法，通过采用第一EVA热熔网膜、CNTs和第二EVA热熔网膜制备三明治结构的复合膜应变传感器，材料成本较低，结构简单。并且通过干法制备工艺(平铺EVA热熔网膜、刷涂CNTs、压机加热加压)进行应变传感器的制备，具有制备工艺简单的优点，并且使制备得到的应变传感器具有较高的杨氏模量和拉伸强度，同时具备高灵敏度和优异的耐久性。
如图1所示，本发明实施例提出了一种应变传感器，所述应变传感器包括：
第一EVA热熔网膜，包括多层EVA热熔网膜；
CNTs，设置在所述第一EVA热熔网膜的一侧；
第二EVA热熔网膜，包括多层EVA热熔网膜，所述第二EVA热熔网膜设置在所述CNTs远离所述第一EVA热熔网膜的一侧。
作为一种可选的实施方式，所述CNTs为干燥粉末状。
作为一种可选的实施方式，所述CNTs的质量为0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g和0.6g中的任意一个。
作为一种可选的实施方式，所述第一EVA热熔网膜和所述第二EVA热熔网膜与所述CNTs接触的一面的尺寸为10*10cm2。
作为一种可选的实施方式，所述第一EVA热熔网膜和所述第二EVA热熔网膜的密度为38g/m2。
作为一种可选的实施方式，所述第一EVA热熔网膜和所述第二EVA热熔网膜的层数相等。
作为一种可选的实施方式，所述第一EVA热熔网膜和所述第二EVA热熔网膜的层数为3-6层。
基于图1的应变传感器，本发明实施例提供了一种应变传感器的制备方法，如图2所示，该制备方法包括以下步骤S101-S104：
S101、平铺第一EVA热熔网膜；
其中，所述第一EVA热熔网膜包括多层EVA热熔网膜。
具体地，将EVA热熔网膜裁剪至10*10cm2，并取3-6层裁剪后的EVA热熔网膜平铺成所述第一EVA热熔网膜。
S102、在所述第一EVA热熔网膜的一侧刷涂CNTs；
具体地，在本发明的实施例中，在所述第一EVA热熔网膜的一侧刷涂0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g或0.6g的干燥粉末状CNTs。
S103、在所述CNTs远离所述第一EVA热熔网膜的一侧平铺第二EVA热熔网膜；
其中，所述第二EVA热熔网膜包括多层EVA热熔网膜；
具体地，将EVA热熔网膜裁剪至10*10cm2，并取3-6层裁剪后的EVA热熔网膜在所述CNTs远离所述第一EVA热熔网膜的一侧平铺成所述第二EVA热熔网膜。其中，第二EVA热熔网膜中的EVA热熔网膜层数与第一EVA热熔网膜中的EVA热熔网膜层数相等。
S104、通过压机对所述第一EVA热熔网膜、所述CNTs和所述第二EVA热熔网膜组成的结构进行加热加压处理，完成所述应变传感器的制备。
具体地，通过压机以120-160℃的温度、80-120N的压力对所述结构进行2-25min的加热加压处理。
结合图1、图2以及步骤S101-S104可知，在本发明的实施例中，通过干法制备工艺制备得到的碳纳米管柔性电子复合膜应变传感器的结构为第一EVA热熔网膜-CNTs粉末-第二EVA热熔网膜三明治结构。其中，CNTs粉末被包裹在两侧层数相等的EVA热熔网膜中，并且在压机加热加压处理的作用下，CNTs粉末层得到了有效的保护，防止CNTs粉末层脱落。
在本发明的实施例中，所述应变传感器采用以下方式进行命名：CNT-1，表示两侧各采用三层EVA热熔网膜，中间使用0.1gCNTs粉末作为功能填充层；CNT-2，表示两侧各采用三层EVA热熔网膜，中间使用0.2gCNTs粉末作为功能填充层；CNT-3，表示两侧各采用三层EVA热熔网膜，中间使用0.3gCNTs粉末作为功能填充层；CNT-4，表示两侧各采用三层EVA热熔网膜，中间使用0.4gCNTs粉末作为功能填充层；CNT-5，表示两侧各采用三层EVA热熔网膜，中间使用0.5gCNTs粉末作为功能填充层；CNT-6，表示两侧各采用三层EVA热熔网膜，中间使用0.6gCNTs粉末作为功能填充层。
图3为本发明实施例对所述应变传感器进行单轴拉伸测试的Stress vs Strain折线图。具体地，采用60mm/min的速度对CNT-2～CNT-6进行单轴拉伸，直至CNT-2～CNT-6断裂，并在这个过程中记录CNT-2～CNT-6所需的拉力变化。
图4为本发明实施例对所述应变传感器进行单轴拉伸测试的RCR vs Strain散点图。具体地，采用60mm/min的速度对CNT5进行拉伸，直至CNT-5断裂，并在这个过程中记录CNT-5的电阻变化。
可以了解的是，学术界采用电阻的相对变化值(Relative Change ofResistance,RCR)来描述柔性导电复合材料在单轴拉伸实验中的相对电阻变化与形变间的关系(参见Y.Zheng et al.The effect of filler dimensionality on theelectromechanical performance of polydimethylsiloxane based conductivenanocomposites for flexible strain sensors,Composites Science and Technology,2017,139:64-73)，电阻的相对变化值：
其中，R0表示样品(CNT-5)的初始电阻。根据图4可知，图4展示了RCR对本发明实施例的应变传感器的应变的函数图，在其单向拉伸过程中展示了明显的四段区域，四段区域的灵敏度GF分别为4.85×102、2.29×103、8.66×103、2.5×105。样品(CNT-5)的灵敏度(Gauge Factor,GF)定义为(参见Z.F.Liu et al.Hierarchically buckled sheath-corefibers for superelastic electronics,sensors,and muscles,Science,2015,349(6246):400-404)：
由此可知，本发明实施例的应变传感器具有较高的灵敏度。
图5为对本发明实施例的所述应变传感器以60mm/min的速度进行单轴拉伸测试的力学性能(杨氏模量和抗张强度)柱状图，其中蓝色柱状图表示杨氏模量，绿色柱状图表示抗张强度(单轴拉伸过程中的最大强度)。根据图5可知，本发明实施例的应变传感器具有较高的杨氏模量和抗张强度，并且随着CNTs粉末含量的升高，所述应变传感器的杨氏模量呈上升趋势，抗张强度呈先下降后上升的趋势(CNT-1的抗张强度最高，CNT-2的抗张强度最低)。
图6为本发明实施例的应变传感器(CNT-5)应用于手套的手指部位时的电阻相对变化值(RCR)。根据图6可知，随着手指弯曲的角度越大，所述应变传感器(CNT-5)的电阻的相对变化值呈明显上升的趋势，手指复原时所述应变传感器(CNT-5)的电阻的相对变化值呈现下降的趋势。
图7为本发明实施例的应变传感器(CNT-3)的循环拉伸变化图。具体地，将所述应变传感器(CNT-3)以绷紧的状态夹在截距为60mm机器的上下两端，以20mm/min的速度调节机器的截距为50mm，此时所述应变传感器(CNT-3)呈弯曲状态，然后再以20mm/min的速度将机器的截距调节为60mm，完成一次循环拉伸。图7表示对所述应变传感器(CNT-3)20次循环拉伸的变化示意图。
如图8所示，采用进行所述应变传感器(CNT-3)的拟合，说明了本发明实施例的应变传感器的宏观检测信号能够很好地进行数学预测及反演。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (5)
1.一种应变传感器，其特征在于，包括：
第一EVA热熔网膜，包括多层EVA热熔网膜；
CNTs，设置在所述第一EVA热熔网膜的一侧，其中，所述CNTs的质量为0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g和0.6g中的任意一个；
第二EVA热熔网膜，包括多层EVA热熔网膜，所述第二EVA热熔网膜设置在所述CNTs远离所述第一EVA热熔网膜的一侧；
其中，所述第一EVA热熔网膜和所述第二EVA热熔网膜的层数相等；所述第一EVA热熔网膜和所述第二EVA热熔网膜的层数为3-6层；
所述应变传感器通过干法制备工艺进行制备。
2.根据权利要求1所述的一种应变传感器，其特征在于，所述CNTs为干燥粉末状。
3.根据权利要求1所述的一种应变传感器，其特征在于，所述第一EVA热熔网膜和所述第二EVA热熔网膜与所述CNTs接触的一面的尺寸为10*10cm2。
4.根据权利要求3所述的一种应变传感器，其特征在于，所述第一EVA热熔网膜和所述第二EVA热熔网膜的密度为38g/m2。
5.一种应变传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
平铺第一EVA热熔网膜，所述第一EVA热熔网膜包括多层EVA热熔网膜；
在所述第一EVA热熔网膜的一侧刷涂CNTs，其中，所述CNTs的质量为0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g和0.6g中的任意一个；
在所述CNTs远离所述第一EVA热熔网膜的一侧平铺第二EVA热熔网膜，所述第二EVA热熔网膜包括多层EVA热熔网膜；
通过压机以120-160℃的温度、80-120N的压力对所述第一EVA热熔网膜、所述CNTs和所述第二EVA热熔网膜组成的结构进行2-25min的加热加压处理，完成所述应变传感器的制备；
其中，所述第一EVA热熔网膜和所述第二EVA热熔网膜的层数相等；所述第一EVA热熔网膜和所述第二EVA热熔网膜的层数为3-6层。
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