CN115585913A - 一种五模超材料、柔性剪应力传感器及其制备方法、应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种五模超材料、柔性剪应力传感器及其制备方法、应用，五模超材料由若干晶胞组成，每一晶胞由若干个微结构单元从底端边缘通过微结构单元间的公共杆或公共接触面向顶边的对边依次排布而成，使其极限强度范围内具备抗压不抗剪的特性；所述柔性薄膜剪应力传感器包括自上而下设置的上保护层、第一柔性电极、五模超材料薄块、第二柔性电极、下保护层；五模超材料薄块为上述五模超材料；五模超材料薄块、第一柔性电极和第二柔性电极间设有液体电解质，在受压时，第一柔性电极和第二柔性电极间的正对面积发生改变，使得输出的电信号发生变化，标定后可确定剪应力的大小。特别地，柔性剪应力传感器可以在超重力环境下测量剪应力。
Description
技术领域
本发明属于柔性电子技术领域，尤其涉及一种五模超材料、柔性剪应力传感器及其制备方法、应用。
背景技术
剪应力是应力的一种，受力的方向与受力面的法向正交，目前市场上仅存的的剪应力传感器均以弹性元件的形变反映剪应力的实际情况，但因其体积较大、精度较低、仅能够在常重力场景下使用，其应用场景狭隘问题成为剪应力测量中的诟病，同时现有的剪应力传感器通常使用拉力或压力传感器进行间接测量得到剪应力，无法直接得到剪应力。同时当前市面上常见的商用剪力传感器无法将轴向力与剪应力理想化进行有效解耦，进而导致剪应力测量结果与实际受力情况相比产生较大偏差。部分剪应力传感器应用场景狭隘，例如电容式边界层剪应力传感器和壁面剪切应力传感器仅能在流体中使用、水泥基压电复合剪应力传感器仅适用于大体量大位移场景中的剪力监测、应变花剪应力传感器是将应变片测得的应力数值在理论上通过数学关系转化为剪应力，其共同的特点是使用场景单一，不具备普适性，同时测量得到的剪应力数值与实际剪应力数值相比存在较大误差。并且，在超重力环境下常见的传感器敏感元件会受到损害，导致现有的剪应力传感器无法在超重力的环境下使用。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提出了一种五模超材料、柔性剪应力传感器及其制备方法、应用。
为实现上述技术目的，本发明的的技术方案为：本发明实施例的第一方面提供了一种五模超材料，所述五模超材料由若干晶胞组成，每一晶胞为一直四棱柱，每一晶胞由若干个微结构单元从底端边缘通过微结构单元间的公共杆或公共接触面向顶边的对边依次排布而成，使得五模超材料具备抗压不抗剪的特性。
本发明实施例的第二方面提供了一种五模超材料的制备方法，所述五模超材料采用聚合物3D打印技术-立体光刻技术、激光直接书写技术或模具浇筑法制备得到。
本发明实施例的第三方面提供了一种基于五模超材料的柔性薄膜剪应力传感器，包括自上而下设置的上保护层、第一柔性电极、五模超材料薄块、第二柔性电极、下保护层；其中，五模超材料薄块为上述的五模超材料；五模超材料薄块、第一柔性电极和第二柔性电极间设有液体电解质，第一柔性电极或第二柔性电极与五模超材料薄块之间的连线具有夹角，用于在五模超材料薄块受到压力时，液体电解质使得第一柔性电极和第二柔性电极间的正对面积发生改变，通过两极板之间正对面积确定剪应力的大小。
本发明实施例的第四方面提供了一种基于五模超材料的柔性薄膜剪应力传感器的制备方法，所述制备方法具体包括以下步骤：
S1，在上保护层和下保护层的外表面涂有一层柔性耐温涂层；在上保护层和下保护层的内表面涂有一层聚对苯二甲酸乙二醇脂，以防止上保护层和下保护层氧化；
S2，基于碳基、柔性电极材料和纳米金属材料进行复合制备第一柔性电极和第二柔性电极；
S3，将步骤S2制备得到的第一柔性电极、第二柔性电极通过阻尼支座与五模超材料薄块的8个顶点相连；
S4，将液体电解质进行液体封装，注入至第一柔性电极和第二柔性电极间，以包裹五模超材料薄块。
本发明实施例的第吴方面提供了一种基于五模超材料的柔性薄膜剪应力传感器在超重力环境下测量剪应力的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提供了一种五模超材料与柔性剪应力传感器，五模超材料由若干晶胞组成，每一晶胞由若干个微结构单元从底端边缘通过微结构单元间的公共杆或公共接触面向顶边的对边依次排布而成，使得五模超材料具备抗压不抗剪的特性。所述柔性剪应力传感器利用五模超材料抗压不抗剪的特性，可以直接测量出剪应力，无需通过测量拉力或压力传感器间接得到剪应力，实现对剪应力的精准测量。特别地，本发明提供的柔性剪应力传感器可以在超重力环境下测量剪应力。
附图说明
图1 为五模超材料第一实施例结构octago晶胞空间几何结构示意图；
图2为五模超材料第二实施例结构octhgo晶胞空间几何结构示意图；
图3为呈现“三明治”夹心结构状态的柔性薄膜剪应力传感器；
图4为基于Pentamode超材料的柔性薄膜剪应力传感器的制备流程图；
图5为轴向力状态柔性薄膜剪应力传感器的剖面结构状态；
图6为剪应力状态柔性薄膜剪应力传感器的剖面结构状态；
图7为超重力离心模拟造波造啸试验机载装置中质量块的受力示意图；
图8为设置有剪应力传感器的质量块的示意图；
图9为超重力环境下拉力传感器的测量曲线图；
图10为超重力环境下剪应力传感器的测量曲线图；
图11为被测物体之间产生位移的情况下柔性薄膜剪应力传感器的安装方式；
图12为被测物体之间不产生位移的情况下柔性薄膜剪应力传感器的安装方式；
图13为管道中柔性薄膜剪应力传感器的安装方式。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
下面结合附图，对本发明进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
本发明提出了一种五模超材料（Pentamode Metamaterials, PMMs），所述五模超材料由若干晶胞组成，每一晶胞为一直四棱柱，每一晶胞由若干个微结构单元从底端边缘通过微结构单元间的公共杆或公共接触面向顶边的对边依次排布而成，使得五模超材料具备抗压不抗剪的特性。
在上述五模超材料（Pentamode Metamaterials, PMMs）结构的设计过程中，本发明对五模超材料的结构进行建模分析处理，通过运用微结构变分原理进行数值分析，同时进行正则化处理获得剪应力使得结构发生的变形力学机理，最终使得材料在承受轴向力时不发生变形，剪应力时发生变形，同时在变分原理中分析可得知通过调节公共杆的粗细或公共接触面的面积可改变结构的泊松比进而改变结构的强度。
本发明中的晶胞设计是仿照宏观的结构设计，相比于传统的点连接的多锥形五模结构，本发明中的晶胞采用公共边或公共接触面的结构连接不同的微结构单元结构，通过调整公共杆的粗细长度或公共接触面的面积，以改变模量影响最终的剪力测量范围、精度及轴向力的最大承载强度和耐温情况。
现有的常见的五模材料通常设计为多锥形节点连接的结构，通常通过调整节点的强度，特别是改变节点的粗细可以改变整个结构的杨氏模量和剪切模量。而在本发明中针对剪应力的测试需求，对五模超材料结构进行改进，将常规的点连接改变成公共杆或公共接触面连接。
通过多场耦合分析可知，本发明提出的五模超材料过调节公共杆的粗细或公共接触面的接触面积可以获得不同的体模量和剪切模量。通过五模超材料的自有频率分析可得，在五模超材料最大承载范围内承受轴向力时材料不会发生任何变形，承受剪力时材料会发生变形，即通过将其晶胞内的结构的点连接改成公共杆或公共接触面连接，运用多边形的不稳定性原理，当五模超材料承受轴向力的时候，整个晶胞结构类似于钢筋混凝土梁柱板结构，承受压力的时候，五模超材料自身可以将上方传输的荷载进行传递，进而不发生结构上的改变。同样当五模超材料承受水平方向的力时，整个五模超材料的结构会发生巨大的变形，意味着轴向力和剪应力得到了分离，可以精确测量剪应力的大小，同时不受轴向力的影响。
所述微结构单元为若干个正方体、四棱台或圆台排布而成，本发明实施例提供了octago晶胞、octhgo晶胞结构为例。
如图1所示，octago晶胞为一直四棱柱，由若干个微结构单元从底端的边缘向顶边的对边排布而成。其中，微结构单元由4个正方体排布而成，第一平面上间隔设置有3个正方体，第一正方体101与第二正方体102的间隔距离为一正方体的边长，第三正方体103与第一正方体101呈对角线布置，且第三正方103与第二正方体102的间隔距离为一正方体的边长，在第二平面上设置有第四正方体104，且第四正方体104底部的三个顶点分别与第一正方体101、第二正方体102和第三正方体103的顶点相连。第四正方体104的上底面的一条边与下一微结构单元中第二正方体的下底面的一条边通过公共杆连接。
特别地，octago晶胞中的若干个微结构单元从底端的边缘向顶边的对边可按自定义的缩放比例缩放排布，在本实例中，设置缩放比例为100%、60%、30%进行有规律的缩放。三组微结构的边长的总长度构成了晶胞的边长为H。不同的微结构的缩放比例会使得五模超材料的剪切模量和压缩模量发生变化。
本案例中使用的Pentamode材料制成的多元正方体组成的octago晶胞结构其最终形成的杨氏模量为2.1GPa，泊松比为0.54，质量密度为2108kg/m3。
由octago晶胞组成的五模超材料制成的柔性薄膜剪应力传感器的工作情况为：轴向力失效极值 14kN，剪应力极值 10KN ，耐温范围10-40°C， 精度0.01KN。octago晶格组成的五模超材料制成的柔性薄膜剪应力传感器仅在温度范围10-40°C内可进行正常的工作，剪力极值监测范围广，适用于大量程的剪应力测试工作，但其精度数值较差，适用于工程现场的原位监测工作。
如图2所示，octhgo晶胞为直四棱柱，由若干个微结构单元从底端的边缘向顶边的对边排布而成。其中微结构单元由5个四棱台排布而成，第一平面上间隔设置有3个依次按下底面边连接的四棱台，第二平面上设置有2个倒置的依次按边连接的四棱台。第二平面上中的某一四棱台的上表面与下一微结构单元中某一的四棱台的下表面连接，该面作为octhgo晶胞公共接触面。
特别地，同理，octhgo晶胞中的若干个微结构单元从底端的边缘向顶边的对边也可按自定义的缩放比例缩放排布。
采用octhgo晶格组成的五模超材料制成的柔性薄膜剪应力传感器的工作情况为：轴向力失效极值 100N，剪应力极值45N ，耐温范围 12-25°C ，精度 0.1N。octhgo晶格组成的五模超材料制作而成的剪应力传感器对温度环境要求极为苛刻，适合用于实验室内进行使用，剪应力和轴向力极值均较小，适用于缩尺模型试验中的剪力监测工作。
五模超材料均的共同特性为在弹性模量与剪切模量比值远大于1的轴向力范围内下材料几乎不会发生变形，当数值超越该种材料的极限数值后，材料会失效，进而制成的柔性薄膜剪应力传感器会整体失效；同时该种材料承受的剪力也有相应的数值范围，仅会导致柔性薄膜剪应力传感器测得的数据与实际数值有较大误差；同样不同材料组成的晶胞也具有不同的温度适应范围，超过其温度范围意味着超出其最佳的工作温度，进而影响柔性薄膜剪应力传感器测得数值的准确性。
在本实例中，所述五模超材料采用聚合物3D打印技术-立体光刻技术（SLA）、激光直接书写技术（DLW）或模具浇筑法制备得到。
具体地，采用模具浇筑法制备五模超材料的过程包括：
S1，本实例中，使用厚度为2英寸的五块玻璃片进行支模，首先将玻璃片模具放置在丙酮和乙醇溶液中进行清洗以除去其表面上的有机污物。在高倍数字显微镜下，使用PI胶带将五片玻璃片固定成为一个上部无盖的玻璃方形盒子模具，并对玻璃方形盒子模具的边界进行密封处理；再将玻璃方形盒子的底板玻璃片固定在一个厚度为5英寸且面积为为底板玻璃片两倍大小的厚玻璃片上。
S2，第一次浇筑：使用八孔莲花微尺寸喷头，以流速要不超过0.00025m/s向步骤S1得到的玻璃模具内部分层浇筑用于待冲孔和刻蚀的有机材料。
S3，第一次振捣：将5英寸的厚玻璃片使用软夹具固定在水平两个自由度的振动台上进行充分振捣，两个方向上振捣时间不低于190s，两个方向上振捣频率不低于10Hz，待其振捣完成后将其从振动台上取下；振捣过程中需要对玻璃模具的顶部加装2英寸厚度的薄玻璃片进行封装，同时需要对玻璃模具进行密封处理。
S4，第一次养护：若温度为22度，相对湿度控制在30%-36%之间，养护时间不得低于40h，确保待冲孔和刻蚀的有机材料可以完全固化；若温度为18度，相对湿度控制在32%-43%之间，养护时间不得低于54h。
S5，钻孔：待待冲孔和刻蚀的有机材料固化完成后，将玻璃模具上部及周围的玻璃片进行俱灭性去除，使用微机械臂搭配微机械钻头和激光喷头依据设计好的五模超材料结构内部尺寸对其内部进行雕刻，必要地切割已经固化的有机材料，加工精度要求达到0.01mm。
钻孔完成后需要将有机材料进行合并，使用4英寸厚的薄玻璃板对其周围的四个边缘进行支模固定，并对其外部四个边分别增加两个加劲肋板，确保在第二次浇筑过程中不会爆模。
S6，第二次浇筑：加热Pentamode材料使其变成流体状态，此时将Pentamode材料使用单孔喷头对其进行逐孔浇筑。配置五模超材料使其体积留有余量，超出第二次浇筑所需的体积，在本实例中配置五模超材料体积为需求的106%，并将其浇筑到已经刻蚀好的五模微结构的模具中。
为达到不同的剪应力传感器的效果，可在Pentamode 材料中混入碳粉、纤维颗粒、树脂颗粒可以达到不同的使用效果。
S7，第二次振捣：在步骤S4固定模具的顶部使用3英寸厚度的玻璃板进行覆盖并使用PI胶带对其固定，此时不需要对其进行密封处理，在微结构振动台上对其进行水平方向上两个自由度进行振捣操作，两个方向上分别振捣时间不低于400s，两个方向上振捣频率不得高于5Hz，待其振捣完成后将其从振动台上取下；振捣完成后去除溢出的Pentamode材料。
S8，第二次养护：设置温度为26度，相对湿度控制在25%之间，并且需要对其进行通风处理；养护时间不得低于36h，确保其可以完全固化。
S9，蚀刻：对步骤S5设置的固定模板进行敲碎去除，并清理玻璃碎片。
使用阴阳离子表面活性剂去除用于待冲孔和刻蚀的有机材料，留下五模超材料的结构骨架。
S10，成型及修缮：使用激光对五模超材料的结构骨架表面进行修饰，将附着在结构表面上多余的Pentamode材料进行处理。采用数字光处理聚合物3D打印技术对上部缺少的Pentamode材料进行补打印。
基于上述的五模超材料，本发明提出了一种基于五模超材料（PentamodeMetamaterials, PMMs）的柔性薄膜剪应力传感器及其制备方法，可应用于不同的重力加速度值的场景。
如图3所示，本发明提出的一种基于五模超材料的柔性薄膜剪应力传感器包括自上而下设置的上保护层1、第一柔性电极3、五模超材料薄块5、第二柔性电极4、下保护层2，形成“三明治”夹心结构；其中，五模超材料薄块5、第一柔性电极3和第二柔性电极4间设有液体电解质6，所述柔性薄膜剪应力传感器还包括柔性保护壳体9，用于包围“三明治”夹心结构。第一柔性电极3或第二柔性电极4与五模超材料薄块5之间的连线具有夹角，用于在五模超材料薄块5受到压力时，液体电解质6使得第一柔性电极3和第二柔性电极4间的正对面积发生改变，通过两极板之间正对面积发生改变，使得输出的电信号发生变化，标定后可确定剪应力的大小。
进一步地，五模超材料薄块5与第一柔性电极3、第二柔性电极4的8条连线间均设置有阻尼支座，用于限制五模超材料薄块5在柔性薄膜剪应力传感器内部的运动范围。
如图5和图6所示，该柔性薄膜剪应力传感器的原理是监测两个极板之间正对面积变化的情况，通过两个极板之间正对面积改变导致输出电压发生变化进而反映了剪力的大小。当薄膜剪应力传感器在承受轴向力的时候，两个极板之间的距离几乎不会发生变化，当承受剪应力的时候，两个极板之间的正对面积会减小，此时电荷密度会发生改变，最终导致输出电压发生急速变化。
上保护层1、第一柔性电极3、五模超材料薄块5、液体电解质6、第二柔性电极4、下保护层2的材质可根据需要设置。
其中，上保护层1和下保护层2可为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)相比于其他柔性传感器常用的聚二甲基硅氧烷材料具有良好的生物相容性、高均匀性、高机械强度、耐化学品腐蚀以及抗机械磨损等优点。
第一柔性电极3和第二柔性电极4使用碳基、柔性电极材料和纳米金属材料进行复合制成。该复合材料制成的第一柔性电极3和第二柔性电极4具有较高的拉伸性能且不影响电荷导通的特点。
柔性超材料薄块5是一种采用聚合物3D打印技术-立体光刻技术（SLA）或激光直接书写技术（DLW）制备的五模超材料（Pentamode Metamaterials, PMMs），该技术具备传统聚合物加工方法不能或难以实现的复杂结构的生成技术，例如多层次结构，梯度结构、微孔结构等，运用该项技术将Pentamode材料制成的极限超材料具备抵轴向变形模式的功能特性。这种极限超材料由针状连接呈倒蜂窝状的晶格体周期性排列，类似于“砌块墙体”那样有规律性组成的薄块。这种薄块具有抵抗轴向力7的特点，在轴向力7作用下不超过极限值时该材料不发生任何变形的特点。在剪力8作用下接近理想的铰链结构，剪切模量趋于0材料的整体响应与流体响应高度相似。同时当剪切力逐渐减小至0的状态下，该材料的状态逐步恢复成最初的状态。
通过改变极限超材料的晶格空间几何设计结构可以得到不同效应的剪应力监测效果。晶格内部的原子是按不同的空间几何规律进行排列，不同的空间排列规则会展现出不一样的材料性能，通常会展现在超材料的特征性能方面，意味着材料本身固有的性质会发生改变，例如力学性能（弹性模量、拉伸强度、抗冲强度、屈服强度、耐疲劳强度等）等，不同的晶格空间几何设计会直接导致柔性薄膜剪应力传感器的工作范围和精度发生巨大的改变。使用极限超材料制成的柔性薄膜剪应力传感器与当今市面上常见的剪应力传感器（电容式边界层剪应力传感器、壁面剪切应力传感器、水泥基压电复合剪应力传感器和应变花剪应力传感器等）相比具有明显的优势（体积小、应用场景广泛、测量数值精确等）。
液体电解质6可采用聚酰亚胺材料，通过聚酰亚胺材料填充第一柔性电极3和第二柔性电极4之间的空间，并均匀填充超材料晶胞内部微结构单元之间的空隙。
如图4所示，下面介绍基于下层至上层依次进行叠加加工形成基于五模超材料的柔性薄膜剪应力传感器的结构的过程。具体包括以下步骤：
S1，在上保护层1和下保护层2的外表面涂有一层柔性耐温涂层，本实例中柔性耐温涂层可以选用热环氧树脂。在上保护层1和下保护层2的内表面涂有一层聚对苯二甲酸乙二醇脂，以防止上保护层1和下保护层2氧化。
S2，基于碳基、柔性电极材料和纳米金属材料进行复合制成第一柔性电极3和第二柔性电极4，具体包括以下子步骤：
在本实例中，碳基采用碳颗粒，柔性电极材料采用25µm厚度的PET作为基底来支撑电容式柔性薄膜剪应力传感器的第一柔性电极3和第二柔性电极4，纳米金属材料采用Cr板。
S201，首先使用2.45cm的大理石薄片作为的衬底，将大理石薄片放入13.5mol/L标准浓度的丙酮溶液中经过超声波去除表面上的有机污染物，所述超声波清洗的时长一般选择8min。
S202，使用柔性电子专用黄色PI胶带将25µm厚度的PET基底剪裁后固定在超声波清洗过后的大理石薄片上。
S203，在PET基底上涂抹六甲基乙硅氮烷有机化合物，用于增强附着力。
S204，将光刻胶喷涂在涂完有机化合物的PET薄膜上，用于掩模板的透光设计，将喷涂光刻胶的PET薄膜及其大理石薄片基底进行离心，使得涂在PET基底上的光刻胶离心至1µm厚度。在本实例中，离心机的目标转速为5000rpm，离心时长为48s。完成离心后对多余的光刻胶进行清除。
S205, 对离心后的PET薄膜进行预热，使用光刻机按照超材料的尺寸对PET薄膜进行光刻：由于在100度左右的时候PET薄膜会发生热胀冷缩，影响极板的制作精度，因此需要对PET薄膜进行95度预热6分钟，有助于接下来曝光过程中的光化学反应。使用光刻机进行按照超材料的尺寸对预热的PET薄膜进行光刻，设置紫外线的曝光时长为1.8s，光照亮度为40mj/cm2，采用显影液对其进行显影操作。最终形成凹凸的槽；完成后清除光刻胶。
S206，对光刻后的PET薄膜进行热处理，以提高其机械磨损性能及其抗腐蚀能力：对光刻后的PET薄膜继续进行预热，此时应当设置温度为108度，持续时间为3min，目的是增强其机械磨损性能及其抗腐蚀能力；完成后在20度的环境下干燥24h使其内部的残余水分充分蒸发，使其强度更加坚固。
S20，对热处理后的PET薄膜进行磁控溅射处理得到柔性电极，重复上述步骤制得第一柔性电极3和第二柔性电极4。
具体地，电容式柔性薄膜剪应力传感器的第一柔性电极3和第二柔性电极4均采用磁控溅射方式，使其金属膜层纯度较高，附着强度较高，抵抗机械冲击磨损的强度较高；通过设置电场的环境，电子在电场的作用下会飞向已经光刻完成的凹槽内部的同时与氩原子发生碰撞产生氩电子，氩电子在电场的作用下飞向凹槽，实现材料的附着和沉积，最终在光刻完成的凹槽上沉积形成金属导电薄膜。在完成的沉积薄膜上贴敷一层200nm的Cr板，用于粘结Cu电极与沉积材料，得到柔性电极。其中，Cu电极的厚度约为200nm。
S208，对步骤S7得到的第一柔性电极3和第二柔性电极4的内表面旋涂一层聚对苯二甲酸乙二醇脂，以防止氧化且提高与五模超材料的粘附力。
具体地，由于电容极板暴露在空气中容易受到氧化进而导致测量数据产生偏差，故需要在其内表面旋涂一层聚对苯二甲酸乙二醇脂，一方面减轻在制备过程中与空气接触的氧化作用，二是旋涂聚对苯二甲酸乙二醇脂后可增大其与超材料的粘附力，更容易贴合封装。旋涂方式为将步骤S7得到的柔性电极滴入聚对苯二甲酸乙二醇脂后放入离心设备内在6000rpm的转速下旋涂90s可以得到厚度小于1µm的聚对苯二甲酸乙二醇脂薄膜，旋涂的过程需要在聚对苯二甲酸乙二醇脂内部均匀混入碳基。
清除多余聚对苯二甲酸乙二醇脂后对外表面进行相同旋涂处理，此步骤无需混入碳基。
完成上述操作后需要在20度的恒温环境下养护18h后方可进行下一步操作；待其完成上述操作后在其外表面采用热喷涂技术将纳米空心超陶瓷粉末与基质进行混合喷涂至外表面；
上述操作需要在温度50度的环境下进行以满足纳米空心超陶瓷粉末的最佳固化强度；冷却至常温后即可完成喷涂。
S3，将步骤S2制备得到的第一柔性电极3、第二柔性电极4通过阻尼支座与五模超材料薄块5的8个顶点相连。
S4，将液体电解质6进行液体封装，注入至第一柔性电极3和第二柔性电极4间，以包裹五模超材料薄块5，使得五模超材料薄块5类似于一个孤岛被封装在传感器内部。封装后的柔性薄膜剪应力传感器呈现“三明治”夹心结构状态。
该柔性薄膜剪应力传感器封装之前需要在常重力和超重力的情况下进行标定，同时需要对极限环境下的使用状况进行测试。
一方面，本发明将上述提出的五模超材料及基于五模超材料的柔性薄膜剪应力传感器应用于在常重力环境下测量剪应力。
示例性地，所述基于五模超材料的柔性薄膜剪应力传感器在常重力环境下应用于溜车监测装置，适用于普通货车、公路重载货车、高速动车组以及地铁列车的检修及防溜车监测场景。例如，将基于五模超材料的柔性薄膜剪应力传感器贴置于铁轨表面用于监测停滞的列车车轮与铁轨之间的摩擦力（剪力），当停滞在铁轨上的列车即将发生溜车的前夕（将要产生溜车事故车辆有运动的趋势，但未发生位移时），柔性剪力传感器会瞬间承受有较大的剪力荷载，此时的荷载还不足以让列车发生溜车等现象，基于将传感器反馈的数据可以预警溜车风险。
另一方面，本发明将上述提出的五模超材料及基于五模超材料的柔性薄膜剪应力传感器应用于在超重力环境下测量剪应力。
本发明提出的基于五模超材料的柔性薄膜剪应力传感器可以在超重力的环境下使用，现有的剪应力传感器的原理大多基于监测弹性元器件的形变来推断剪力的数值大小，弹性元器件的形变通常基于的最基本的假设是在重力G=9.81N/kg的情况下进行工作。
实施例1
在本实例中，采用商用American NI USB 6009数据采集卡进行数据的捕捉与处理。
在超重力离心模拟造波造啸试验机载装置中，通常在水中采用一个质量块来检测造波造啸过程中波浪力的大小。如图7所示，质量块的三个相邻平面均与弹簧固定，另外三个相邻的平面自由，弹簧一个端部连接质量块，另外一个端部连接拉力传感器，拉力传感器与机载装置的表面固定。在造波造啸过程中在波浪的作用下质量块会上下、左右和前后的运动，弹簧会随着质量块的伸长和收缩，弹簧的另外一端与拉力传感器固定，通过读取拉力传感器的数值即可得到实际波浪力的大小。波浪是一种随机性运动，很难在数学上精确描述或预测波浪力的大小。
在波浪力的作用下弹簧仍会承受一定的荷载，在波浪顺流向会造成拉力传感器得到的数值与实际相比偏大；同时在波浪逆流向弹簧会呈现屈曲的状态，导致拉力传感器失灵，最终无法获得逆流项的波浪荷载。
同时由于常见的拉力传感器内部的应变片结构在超重力离心环境下受到了非常大的离心力作用会使内部结构发生变形，最后会导致在g值大于40g的时候读数彻底失稳，不但造成传感器损坏同时造成无法获得试验过程中真实的波浪荷载数值。
由于暂无剪应力传感器可以应用在超重力环境下，通常是采用拉力传感器在应用场景下进行替换，由于是间接测量剪力进而会造成数值产生一定误差，同时传统拉力传感器采用的是敏感金属变形，然而在超重力环境下敏感单元受到高g值的影响会出现结构化损害，进而在超重力环境下造成数值上的误差。基于本发明，对超重力离心模拟造波造啸试验机载装置中监测波浪力的大小的质量块体系进行优化，如图8所示，将本发明中涉及的剪应力传感器张贴在质量块的六个表面上，同时将质量块靠近底板的表面边缘采用两根细钢丝与底板固定。波浪荷载直接作用在质量块的六个表面，如图9和图10所示，通过应用本发明的设计的剪应力传感器可以精确的测量出质量块表面受到剪力的数值大小。相比于采用拉力传感器和弹簧体系可以减少不必要的荷载造成的数值上的误差。
通过将本发明应用在超重力离心模拟造波造啸试验机载装置中，可以有效的评判造波造啸机制造波浪的质量，可为后续提升模型试验的准确性做出重要贡献。
下面介绍几种柔性薄膜剪应力传感器的安装方式：示例性地，详见附图11，在常重力监测剪力时被测物体之间发生位移时要确保柔性薄膜剪应力传感器14的某一表面10附着在待测目标的上表面12，柔性薄膜剪应力传感器的另一表面11与待测另一个目标的下表面13接触即可。若监测时被测物体之间不会发生相对位移时需要将柔性薄膜剪应力传感器的两个表面10、11分别附着在待测目标的两个表面12、13上，详见附图12。在超重力监测剪应力时该传感器的固定方式与常重力环境下一致。
在流体中柔性薄膜剪应力传感器14的安装方式是一端应当与管道内壁15紧贴，另一端与流体直接接触。该方式可用于监测不同雷诺数下流体中层流、过度流和湍流中的壁面剪切应力情况。详见示意图13。特别的由于柔性薄膜传感器灵敏度较高可用于“水锤效应”的壁面剪切应力的监测工作。
总之，本发明的柔性薄膜剪应力传感器具有体积薄的显著特点（纳米级别），同时表现出高灵敏度（1.2kPa-1）、非常低的检测极限（1Pa）、可在超重力响应下使用、 很短的响应迟滞时间（32ms/31ms）以及出色的循环工作稳定性（8000cycles）以及宽温度范围（-30°C—80°C）等特点，与当今市面上常见的剪应力传感器相比具有不可比拟的优点。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。
Claims (11)
1.一种五模超材料，其特征在于，所述五模超材料由若干晶胞组成，每一晶胞为一直四棱柱，每一晶胞由若干个微结构单元从底端边缘通过微结构单元间的公共杆或公共接触面向顶边的对边依次排布而成，使得五模超材料具备抗压不抗剪的特性。
2.根据权利要求1所述的五模超材料，其特征在于，五模超材料具备抗压不抗剪的特性具体为：在五模超材料的极限范围内，其承受轴向力时五模超材料不发生任何变化，承受剪力时五模超材料会发生变形，即晶胞内的微结构单元通过公共杆或公共接触面连接，基于多边形的不稳定性原理，当五模超材料承受轴向力时，五模超材料将上方传输的荷载进行传递，进而不发生结构上的改变；当五模超材料承受水平方向的力时，五模超材料的结构会发生巨大变形。
3.根据权利要求1所述的五模超材料，其特征在于，每一晶胞由若干个微结构单元从底端边缘通过微结构单元间的公共杆或公共接触面向顶边的对边按自定义的缩放比例缩放依次排布而成；所述微结构单元为若干个正方体、四棱台或圆台排布而成。
4.根据权利要求3所述的五模超材料，其特征在于，所述微结构单元为若干个正方体排布而成，具体为：微结构单元由4个正方体排布而成，第一平面上间隔设置有3个正方体，第一正方体（101）与第二正方体（102）的间隔距离为一正方体的边长，第三正方体（103）与第一正方体（101）呈对角线布置，且第三正方体（103）与第二正方体（102）的间隔距离为一正方体的边长，在第二平面上设置有第四正方体（104），且第四正方体（104）底部的三个顶点分别与第一正方体（101）、第二正方体（102）和第三正方体（103）的顶点相连；第四正方体（104）的上底面的一条边与下一微结构单元中第二正方体的下底面的一条边通过公共杆连接。
5.根据权利要求3所述的五模超材料，其特征在于，所述微结构单元为若干个四棱台排布而成，具体为：其中微结构单元由5个四棱台排布而成，第一平面上间隔设置有3个依次按下底面边连接的四棱台，第二平面上设置有2个倒置的依次按边连接的四棱台；第二平面上中的某一四棱台的上表面与下一微结构单元中某一的四棱台的下表面连接，该面作为公共接触面。
6.一种权利要求1~5任一项所述的五模超材料的制备方法，其特征在于，所述五模超材料采用聚合物3D打印技术-立体光刻技术、激光直接书写技术或模具浇筑法制备得到。
7.根据权利要求6所述的五模超材料的制备方法，其特征在于，所述五模超材料采用模具浇筑法制备的过程具体为：首先将用于待冲孔和刻蚀的有机材料注入第一模具中，经振捣后，对模具做密封处理，再进行养护直至有机材料固化；去除第一模具，在固化后的有机材料上依据设计好的五模超材料结构内部对有机材料内部进行钻孔雕刻，对钻孔后的有机材料外设置第二模具；将流体状态的Pentamode材料注入至第二模具中，经振捣后，再进行养护直至Pentamode材料固化，去除第二模具与有机材料，得到五模超材料结构。
8.一种基于五模超材料的柔性薄膜剪应力传感器，其特征在于，包括自上而下设置的上保护层（1）、第一柔性电极（3）、五模超材料薄块（5）、第二柔性电极（4）、下保护层（2）；其中，五模超材料薄块（5）为权利要求1~5任一项所述的五模超材料或由权利要求6或7制备得到的五模超材料；五模超材料薄块（5）、第一柔性电极（3）和第二柔性电极（4）间设有液体电解质（6），第一柔性电极（3）或第二柔性电极（4）与五模超材料薄块（5）之间的连线具有夹角，用于在五模超材料薄块（5）受到压力时，液体电解质（6）使得第一柔性电极（3）和第二柔性电极（4）间的正对面积发生改变，通过两极板之间正对面积确定剪应力的大小。
9.根据权利要求8所述的基于五模超材料的柔性薄膜剪应力传感器，其特征在于，五模超材料薄块（5）与第一柔性电极（3）、第二柔性电极（4）的8条连线间均设置有阻尼支座，用于限制五模超材料薄块（5）在柔性薄膜剪应力传感器内部的运动范围。
10.一种权利要求9所述的基于五模超材料的柔性薄膜剪应力传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括以下步骤：
S1，在上保护层（1）和下保护层（2）的外表面涂有一层柔性耐温涂层；在上保护层（1）和下保护层（2）的内表面涂有一层聚对苯二甲酸乙二醇脂，以防止上保护层（1）和下保护层（2）氧化；
S2，基于碳基、柔性电极材料和纳米金属材料进行复合制备第一柔性电极（3）和第二柔性电极（4）；
S3，将步骤S2制备得到的第一柔性电极（3）、第二柔性电极（4）通过阻尼支座与五模超材料薄块（5）的8个顶点相连；
S4，将液体电解质（6）进行液体封装，注入至第一柔性电极（3）和第二柔性电极（4）间，以包裹五模超材料薄块（5）。
11.一种权利要求8或9所述的基于五模超材料的柔性薄膜剪应力传感器在超重力环境下测量剪应力的应用。
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