CN115854855A - 一种柔性可拉伸应变传感器、其制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋管道监测技术领域，尤其涉及一种柔性可拉伸应变传感器、其制备方法及应用。所述柔性可拉伸应变传感器依次包括第一柔性聚合物层、敏感层和第二柔性聚合物层；所述敏感层是由包括导电材料的原料制备得到的导电薄膜；所述敏感层为叉指式电极结构。本发明采用柔性聚合物制备柔性聚合物层作为柔性基底，同时采用柔性可拉伸导电材料，进一步限定了几何形状是面内交错的叉指结构电极，并对叉指结构参数进行了优化，实现了结构简单，敏感性提升并且消除了外加压力的交叉敏感，提供的柔性可拉伸应变传感器具有较优灵敏度、线性度、拉伸循环性能和可靠性。

Description

一种柔性可拉伸应变传感器、其制备方法及应用

技术领域

本发明涉及海洋管道监测技术领域，尤其涉及一种柔性可拉伸应变传感器、其制备方法及应用。

背景技术

海底管道是海上石油、天然气运输方式中最为经济合理的选择，是海洋油气输运系统的重要构成部分，被喻为海上油气田的生命线。然而，随着海底管道的不断建造以及服役时间的不断增长，海水腐蚀和第三方破坏等对海底管道造成损伤的潜在风险也在不断累积，造成海底油气管道泄漏事故的不断发生。海底管道的失效形式一般有屈曲、疲劳和破裂等。由于管土约束，海水温度和输送压力引起的管道轴向压应力很难由管道伸长来释放，却很容易在某处以竖向或水平屈曲的方式释放，即管道离开原始位置发生了大的弯曲。

海底油气管道的屈曲、疲劳、破裂等情况都会造成管道的外形发生一定程度的改变，在竖向或水平方向发生屈曲等情况，因而监测海底油气管道防止其功能失效最直接有效的监测方法就是测量管道的结构拉伸情况。

当前常用的方法是在管道各个泄露监测点上均设置振动传感光纤干涉仪，通过光信号的相位与振幅的变化对泄露点进行定位（参见专利CN112944222A）。然而这种方法并不能在海底管道失效前进行预防。

分布式温度传感技术是将传感光缆和油气管道相邻并排安装，并采用分布式光纤测温技术测量传感光缆上的温度分布。当油气管道发生泄漏后，高压液体/气体由于内外压差向外泄漏，会导致泄漏点附近温度发生变化。通过管道相邻的传感光缆测量泄漏时的温度变化就可以识别泄漏的发生并进行定位（参见专利CN109442561B）。海水的热容大，管道泄露带来的海水温度变化较小。海管通常为双层管结构，内层为输油气的钢管，外层为保护层。由于保护层的存在，大幅降低了管外测温/测振的灵敏度和信噪比，存在错报漏报以及误报的缺陷。

光纤传感技术是在油气管的各个泄露监测点上均设置振动传感光纤干涉仪，干端信号处理设备通过主干光缆向各个监测点的振动传感光纤干涉仪输入光信号；输入光信号经过各个监测点的振动传感光纤干涉仪后，输出干涉光，并通过主干光缆输出至干端信号处理设备；干端信号处理设备从各个监测点的振动传感光纤干涉仪输出的干涉光的光强的变化中解调出振动敏感线圈中光相位的变化，获得引起光相位变化的振动信号的大小；通过信号的分析和处理，将振动信号超过预警值的振动传感光纤干涉仪识别出来，对泄漏点的位置进行定位（参见专利CN102997063A）。但其机械结构比较复杂，并且由于不同的传感单元需要采用不同的光程差，光路结构相对复杂。而海洋环境的特殊性以及铺管工艺流程的制约，使得这些油气管道泄露监测的光纤传感技术并不适用于长距离海洋油气管道的泄露监测。

使用应变传感器进行监测，不仅能实现对海底管道泄露进行监测与定位，同时能监测海底管道屈曲、疲劳等情况进行监测，实现管道失效的预防作用。传统的应变片在结构应力测量上表现良好，但是由于其形变范围小，当应用于不规则以及形变大的海底管道时，可能造成传感器的金属底板与传感器在接合部分的蠕变、变质或劣化，无法实现长期稳定监测。

当前应变传感器的其中一种是由半导体衬底构成具有在其表面形成的压电电阻元件，通过金属基板与传感器芯片的微形变，进行应变特性的测量（参见专利CN101802541B）。由于其形变范围小，当应用于不规则以及形变大的被测对象上时，可能造成传感器的金属底板与传感器在接合部分的蠕变、变质或劣化，从而影响传感器的长期监测稳定性。

专利CN103557989B提供了一种压电应变传感器，包括压电陶瓷片、硅胶层、和封装层，硅胶层的结构使得传感器受力均匀灵敏度高，抗电磁干扰性强，应变与电压输出接近线性关系，较为迅速的响应速度，但是由于压电陶瓷的不可拉伸特性不能适应海底油气管道监测的要求。

专利CN105021120B的电容应变传感器是叉指电极平面结构，该结构的传感器能较好地利用介质材料本身的应变敏感特性，制备的器件的灵敏系数较大，同时损耗因子更小，器件表现出更加稳定可靠的性质；线性度良好，长期稳定性好，但是无法进行拉伸。因此，传统金属基底的半导体应变传感器由于其不可拉伸或拉伸范围小的物理缺陷，不能应用于海底管道的长期稳定监测。

专利CN103105123B中的应变传感器用沿取向方向对准的多个CNT纤维的CNT膜、一对保护电极和保护涂层。沿与CNT纤维取向方向垂直的方向的相反端部形成电极。保护涂层使用树脂、水基乳状液等制造，防护涂层有效防止CNT膜与纤维的损坏，因此具有良好的耐久特性，该方法制造的传感器拉伸能力上十分优秀达到100%，但是该传感器存在输出并非线性的问题。

专利CN105627905B的金属薄膜柔性应变传感不仅具有结构简单、灵敏度较高的特点，且制备工艺简单，重复性以及可靠性较好，但是拉伸能力较差，输出电阻变化与应变率不是线性关系。

显然，要获得同时具有较优灵敏度、线性度、拉伸循环性能和可靠性的可拉伸应变传感器一直是有待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种柔性可拉伸应变传感器、其制备方法及应用，本发明提供的柔性可拉伸应变传感器具有较优灵敏度、线性度、拉伸循环性能和可靠性。

本发明提供了一种柔性可拉伸应变传感器，依次包括第一柔性聚合物层、敏感层和第二柔性聚合物层；

所述敏感层是由包括导电材料的原料制备得到的导电薄膜；

所述敏感层为叉指式电极结构。

优选的，所述第一柔性聚合物层中的柔性聚合物和第二柔性聚合物层中的柔性聚合物独立的选自热塑性聚氨酯、聚丙烯酸酯、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯型嵌段共聚物、天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、硅橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶、氟橡胶、聚二甲基硅氧烷、苯乙烯类热塑性弹性体、烯烃类热塑性弹性体、二烯类热塑性弹性体、氯乙烯类热塑性弹性体、聚酰胺类热塑性弹性体和热塑性硫化橡胶中的至少一种。

优选的，所述导电材料包括石墨烯、碳纳米管、金纳米线、银纳米线、铜纳米线和金属纳米颗粒中的至少一种。

优选的，所述敏感层的制备方法包括以下步骤：

a）将含有导电材料的分散液沉积或滴涂至基板上，形成均匀的渗流网络导电膜；

b）使用激光标记系统在所述渗流网络导电膜上蚀刻出图案，形成交错的电极；

c）采用激光微加工工艺，得到宽为10~500 µm的含有导电材料的微线；相邻两条微线之间的间距为10~500 µm；从而在基板上得到敏感层。

优选的，步骤a）中，沉积或滴涂至基板上之前，还包括：用乙醇清洗基板，并干燥；

所述基板为玻璃基板；

所述沉积的温度为100~120℃，时间为14~18 h。

优选的，步骤a）中，所述渗流网络导电膜的厚度为0.5~10 µm；

形成所述渗流网络导电膜的网线直径为80~90 nm，长度为40~80 µm。

优选的，所述第一柔性聚合物层的厚度为10~1500 µm；

所述第二柔性聚合物层的厚度为10~1500 µm。

本发明还提供了一种柔性可拉伸应变传感器的制备方法，包括以下步骤：

A）在基板上制备敏感层；

B）将第一柔性聚合物溶液浇注在基板上的敏感层上，在60~80℃下进行热处理，得到第一柔性聚合物层；

C）在所述第一柔性聚合物层上粘附塑料板，剥离敏感层上的所述基板，并在敏感层上浇注第二柔性聚合物溶液，在60~80℃下进行热处理，得到第二柔性聚合物层，剥离所述塑料板，得到柔性可拉伸应变传感器。

优选的，步骤B）中，所述热处理的时间为0.5~1.5 h；

步骤C）中，所述热处理的时间为0.5~1.5 h。

本发明还提供了一种上文所述的柔性可拉伸应变传感器或上文所述的制备方法制得的柔性可拉伸应变传感器在海底油气管道健康监测中的应用。

本发明提供了一种柔性可拉伸应变传感器，依次包括第一柔性聚合物层、敏感层和第二柔性聚合物层；所述敏感层是由包括导电材料的原料制备得到的导电薄膜；所述敏感层为叉指式电极结构。本发明采用柔性聚合物制备柔性聚合物层作为柔性基底，同时采用柔性可拉伸导电材料，使得传感器具备良好的可伸展性，柔软性质。本发明进一步限定了几何形状是面内交错的叉指结构电极，并对叉指结构参数进行了优化，实现了结构简单，敏感性提升并且消除了外加压力的交叉敏感。因此，本发明提供的柔性可拉伸应变传感器具有较优灵敏度、线性度、拉伸循环性能和可靠性。

针对光学监测方法的局限性，本发明提供的柔性可拉伸应变传感器可以用于海底油气管道的健康监测；不仅能实现对海底管道泄露进行监测与定位，同时能对海底管道屈曲、疲劳等情况进行监测，实现管道失效的预防作用。

附图说明

图1为本发明的一个实施例提供的柔性可拉伸应变传感器的制备工艺图；

图2为本发明的一个实施例提供的设置了柔性可拉伸应变传感器的海底油气管道结构图；

图3为本发明实施例1中柔性可拉伸应变传感器拉伸与电容变化图；

图4为本发明实施例1中柔性可拉伸应变传感器的拉伸循环测试效果图；

图5为本发明实施例1中柔性可拉伸应变传感器的拉伸过程输出测试效果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种柔性可拉伸应变传感器，依次包括第一柔性聚合物层、敏感层和第二柔性聚合物层；

所述敏感层是由包括导电材料的原料制备得到的导电薄膜；

所述敏感层为叉指式电极结构。

本发明中，依次包括第一柔性聚合物层、敏感层和第二柔性聚合物层具体包括：第一柔性聚合物层、复合在所述第一柔性聚合物层上的敏感层，以及复合在所述敏感层上的第二柔性聚合物层。

在本发明的某些实施例中，所述第一柔性聚合物层中的柔性聚合物和第二柔性聚合物层中的柔性聚合物独立的选自热塑性聚氨酯(TPU)、聚丙烯酸酯、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚苯乙烯(PS)、聚酰胺(PA)、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SIS)、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)、苯乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯型嵌段共聚物(SEPS)、天然橡胶(NR)、丁苯橡胶(SBR)、顺丁橡胶(BR)、 异戊橡胶(IR)、硅橡胶(Q)、氯丁橡胶(CR)、丁基橡胶(IIR)、丁腈橡胶(NBR)、乙丙橡胶(EPM)、氟橡胶(FPM)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、苯乙烯类热塑性弹性体、烯烃类热塑性弹性体、二烯类热塑性弹性体、氯乙烯类热塑性弹性体、聚酰胺类热塑性弹性体(TPAE)和热塑性硫化橡胶(TPV)中的至少一种。具体的，所述第一柔性聚合物层中的柔性聚合物和第二柔性聚合物层中的柔性聚合物均为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

在本发明的某些实施例中，所述第一柔性聚合物层的厚度为10~1500 µm，具体为80~120 µm，更具体为100 µm；所述第二柔性聚合物层的厚度为10~1500 µm，具体为80~120µm，更具体为100 µm。

在本发明的某些实施例中，所述导电材料包括石墨烯、碳纳米管、金纳米线、银纳米线、铜纳米线和金属纳米颗粒中的至少一种；具体的，可以为银纳米线（AgNWs）。

在本发明的某些实施例中，所述敏感层的制备方法包括以下步骤：

a）将含有导电材料的分散液沉积或滴涂至基板上，形成均匀的渗流网络导电膜；

b）使用激光标记系统在所述渗流网络导电膜上蚀刻出图案，形成交错的电极；

c）采用激光微加工工艺，得到宽为10~500 µm的含有导电材料的微线；相邻两条微线之间的间距为10~500 µm；从而在基板上得到敏感层。

步骤a）中：

将含有导电材料的分散液沉积或滴涂至基板上，形成均匀的渗流网络导电膜。

在本发明的某些实施例中，沉积或滴涂至基板上之前，还包括：用乙醇清洗基板，并干燥。所述基板为玻璃基板。

在本发明的某些实施例中，所述含有导电材料的分散液的溶剂为乙醇；所述含有导电材料的分散液的质量浓度为2%~5%，具体可以为2.5%。

在本发明的某些实施例中，所述沉积为喷雾沉积，所述喷雾沉积中，喷嘴与基板的距离为8~12 cm，具体为10 cm。所述喷嘴型号可以为PEACE 3，Airtex，Japan。所述沉积的温度为100~120℃，具体为110℃；时间为14~18 h，具体为16 h。

在本发明的某些实施例中，所述渗流网络导电膜的厚度为0.5~10 µm。

形成所述渗流网络导电膜的网线直径为2~400 nm，具体为80~90 nm，更具体的为85 nm；长度为1~400 µm，具体为40~80 µm。

步骤b）中：

使用激光标记系统在所述渗流网络导电膜上蚀刻出图案，形成交错的电极。

在本发明的某些实施例中，所述蚀刻前，还包括：在空气中干燥。干燥的时间可以为10 s。

在本发明的某些实施例中，所述激光标记系统为绿色激光标记系统，具体为T-Centric SHG激光标记仪，Keyence。

所述激光标记系统在所述渗流网络导电膜上蚀刻出精确的、高分辨率的图案。

步骤c）中：

采用激光微加工工艺，得到宽为10~500 µm的含有导电材料的微线；相邻两条微线之间的间距为10~500 µm；从而在基板上得到敏感层。

在本发明的某些实施例中，所述激光微加工工艺为减法激光微机械加工工艺。

在本发明的某些实施例中，所述含有导电材料的微线的宽为10~14 µm；具体为12µm。相邻两条微线之间的间距为20~50 µm；具体为30 µm。

本发明还提供了一种上文所述的柔性可拉伸应变传感器的制备方法，包括以下步骤：

A）在基板上制备敏感层；

B）将第一柔性聚合物溶液浇注在基板上的敏感层上，在60~80℃下进行热处理，得到第一柔性聚合物层；

C）在所述第一柔性聚合物层上粘附塑料板，剥离敏感层上的所述基板，并在敏感层上浇注第二柔性聚合物溶液，在60~80℃下进行热处理，得到第二柔性聚合物层，剥离所述塑料板，得到柔性可拉伸应变传感器。

步骤A）中：

在基板上制备敏感层。

本发明中，在基板上制备敏感层的方法同上文所述的敏感层的制备方法。

步骤B）中：

将第一柔性聚合物溶液浇注在基板上的敏感层上，在60~80℃下进行热处理，得到第一柔性聚合物层。

所述第一柔性聚合物溶液中的柔性聚合物选自热塑性聚氨酯(TPU)、聚丙烯酸酯、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚苯乙烯(PS)、聚酰胺(PA)、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SIS)、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)、苯乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯型嵌段共聚物(SEPS)、天然橡胶(NR)、丁苯橡胶(SBR)、顺丁橡胶(BR)、 异戊橡胶(IR)、硅橡胶(Q)、氯丁橡胶(CR)、丁基橡胶(IIR)、丁腈橡胶(NBR)、乙丙橡胶(EPM)、氟橡胶(FPM)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、苯乙烯类热塑性弹性体、烯烃类热塑性弹性体、二烯类热塑性弹性体、氯乙烯类热塑性弹性体、聚酰胺类热塑性弹性体(TPAE)和热塑性硫化橡胶(TPV)中的至少一种。具体的，所述第一柔性聚合物溶液中的柔性聚合物为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

在本发明的某些实施例中，所述第一柔性聚合物溶液为Sylgard 184 PDMS（附带固化剂），产自道康宁公司。

具体的，将第一柔性聚合物溶液浇注在基板上的敏感层上之前，还包括：将Sylgard 184 PDMS与固化剂搅拌混匀，得到第一混合液。所述Sylgard 184 PDMS与固化剂的质量比为10：1。

将得到的第一混合液浇注在基板上的敏感层上。

在本发明的某些实施例中，所述热处理的温度为70℃；时间为0.5~1.5 h；具体为1h。所述热处理的过程也是固化的过程。

步骤C）中：

在所述第一柔性聚合物层上粘附塑料板，剥离敏感层上的所述基板，并在敏感层上浇注第二柔性聚合物溶液，在60~80℃下进行热处理，得到第二柔性聚合物层，剥离所述塑料板，得到柔性可拉伸应变传感器。

在本发明的某些实施例中，所述第二柔性聚合物溶液中的柔性聚合物选自热塑性聚氨酯(TPU)、聚丙烯酸酯、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚苯乙烯(PS)、聚酰胺(PA)、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SIS)、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)、苯乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯型嵌段共聚物(SEPS)、天然橡胶(NR)、丁苯橡胶(SBR)、顺丁橡胶(BR)、 异戊橡胶(IR)、硅橡胶(Q)、氯丁橡胶(CR)、丁基橡胶(IIR)、丁腈橡胶(NBR)、乙丙橡胶(EPM)、氟橡胶(FPM)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、苯乙烯类热塑性弹性体、烯烃类热塑性弹性体、二烯类热塑性弹性体、氯乙烯类热塑性弹性体、聚酰胺类热塑性弹性体(TPAE)和热塑性硫化橡胶(TPV)中的至少一种。具体的，所述第二柔性聚合物溶液中的柔性聚合物为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

在本发明的某些实施例中，所述第二柔性聚合物溶液为Sylgard 184 PDMS（附带固化剂），产自道康宁公司。

具体的，将第二柔性聚合物溶液浇注在基板上的敏感层上之前，还包括：将Sylgard 184 PDMS与固化剂搅拌混匀，得到第二混合液。所述Sylgard 184 PDMS与固化剂的质量比为10：1。

在敏感层上浇注所述第二混合液。

在本发明的某些实施例中，所述热处理的温度为70℃；时间为0.5~1.5 h；具体为1h。所述热处理的过程也是固化的过程。

所述塑料板的材质并无特殊限制，平整光滑即可，具体可以包括但不限于PVC、PC或PET。

在本发明的某些实施例中，所述柔性可拉伸应变传感器的有效面积为10mm×20mm。

图1为本发明的一个实施例提供的柔性可拉伸应变传感器的制备工艺图。

本发明采用柔性聚合物制备柔性聚合物层作为柔性基底，同时采用柔性可拉伸导电材料，进一步限定了几何形状是面内交错的叉指结构电极，并对叉指结构参数进行了优化，实现了结构简单，敏感性提升并且消除了外加压力的交叉敏感，提供的柔性可拉伸应变传感器具有较优灵敏度、线性度、拉伸循环性能和可靠性。

本发明提供的柔性可拉伸应变传感器可以用于海底油气管道的健康监测；不仅能实现对海底管道泄露进行监测与定位，同时能对海底管道屈曲、疲劳等情况进行监测，实现管道失效的预防作用。因而，本发明请求保护所述柔性可拉伸应变传感器或上文所述的制备方法制得的柔性可拉伸应变传感器在海底油气管道健康监测中的应用。

在本发明的某些实施例中，所述柔性可拉伸应变传感器应用于海底油气管道监测时，所述海底油气管道由内至外依次包括：

管道内层；

设置在所述管道内层外表面的柔性可拉伸应变传感器；所述柔性可拉伸应变传感器为上文所述的柔性可拉伸应变传感器或上文所述的制备方法制得的柔性可拉伸应变传感器；

管道中空层；

管道外层。

图2为本发明的一个实施例提供的设置了柔性可拉伸应变传感器的海底油气管道结构图。其中，1为管道内层，2为柔性可拉伸应变传感器，3为管道中空层，4为管道外层。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种柔性可拉伸应变传感器、其制备方法及应用进行详细描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

柔性可拉伸应变传感器的制备方法包括以下步骤（参见图1）：

1）在玻璃基板上制备敏感层：

1-1）用乙醇清洗玻璃基板（参见图1中步骤1为玻璃基板），并干燥；

1-2）采用喷嘴（PEACE 3，Airtex，Japan）将含有导电材料（AgNWs）的乙醇分散液（质量浓度为2.5%）通过喷雾沉积至玻璃基板上，形成均匀的渗流网络导电膜（参见图1中的步骤2），厚度为0.5~10 µm；喷嘴与基板的距离为10 cm；所述喷雾沉积的温度为110℃，时间为16 h；

1-3）将所述渗流网络导电膜在空气中干燥10 s；

使用绿色激光标记系统（T-Centric SHG激光标记仪，Keyence）在所述渗流网络导电膜上蚀刻出精确的、高分辨率的图案，以形成交错的电极（参见图1中的步骤3）；

1-4）采用减法激光微机械加工工艺，得到宽为12 µm的含有导电材料的微线；相邻两条微线之间的间距为30 µm；从而在玻璃基板上得到敏感层。

2）第一柔性聚合物溶液为Sylgard 184 PDMS（附带固化剂），产自道康宁公司；

将Sylgard 184 PDMS与固化剂搅拌混匀，得到第一混合液；所述Sylgard 184PDMS与固化剂的质量比为10：1；

将所述第一混合液浇注在基板上的敏感层上，在70℃下进行热处理1 h，得到第一柔性聚合物层（参见图1中的步骤4）；所述第一柔性聚合物层的厚度为100 µm。

3）第二柔性聚合物溶液为Sylgard 184 PDMS（附带固化剂），产自道康宁公司；

将Sylgard 184 PDMS与固化剂搅拌混匀，得到第二混合液；所述Sylgard 184PDMS与固化剂的质量比为10：1；

在所述第一柔性聚合物层上粘附PC材质光滑塑料板，剥离敏感层上的所述玻璃基板（参见图1中的步骤5），并在敏感层上浇注所述第二混合液，在70℃下热处理1 h，得到第二柔性聚合物层（所述第二柔性聚合物层的厚度为100 µm），剥离所述塑料板，得到柔性可拉伸应变传感器；

所述柔性可拉伸应变传感器的有效面积为10mm×20mm。

本发明对实施例1中柔性可拉伸应变传感器的线性度、拉伸性能以及循环使用可靠性进行测试，测试仪器以及测试中使用的物品包括：阻抗仪E4980A、直线电机、游标卡尺、与实施例1尺寸相同的对照样品（具体见图3中右下角印有大阪大学的卡片，但不做限定）。

检测方法包括：先将柔性可拉伸应变传感器固定在直线电机上，保证传感器每次拉伸运动情况相同，然后将电极连接到阻抗仪测试端，在室温（25℃）条件下，对传感器电容进行电容值测试。

图3为本发明实施例1中柔性可拉伸应变传感器拉伸与电容变化图。从图3可知，本发明的柔性应变传感器可拉伸至100%，在室温（25℃）条件下，随着拉伸变化从0-100%，电容值随拉伸长度呈现线性化增长趋势，对测量值进行计算得到线性度为99%。

对得到的柔性可拉伸应变传感器进行拉伸循环测试，测试条件同上，结果如图4所示。图4为本发明实施例1中柔性可拉伸应变传感器的拉伸循环测试效果图。从图4可知，对所述柔性可拉伸应变传感器在40%拉伸程度下循环拉伸1000次，电容响应ΔC/C₀值的保持率在92%以上。因此，所述柔性可拉伸应变传感器的拉伸循环性能较优。

对得到的柔性可拉伸应变传感器进行传感器灵敏度与可靠性测试，对传感器在拉伸程度1%、2.5%、5%、10%、20%、40%进行了循环连续测试。测试结果如图5所示。图5为本发明实施例1中柔性可拉伸应变传感器的拉伸过程输出测试效果图。从图5可知，柔性可拉伸应变传感器对1%的微小应变有电容响应ΔC/C₀值约为4%，传感器灵敏度好，而且在40min的连续拉伸且拉伸程度变化从1%到40%再变化到1%的情况下，传感器输出值重复性好，可以得出可靠性高。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种柔性可拉伸应变传感器，依次包括第一柔性聚合物层、敏感层和第二柔性聚合物层；

所述敏感层是由包括导电材料的原料制备得到的导电薄膜；

所述敏感层为叉指式电极结构；

所述敏感层的制备方法包括以下步骤：

a）将含有导电材料的分散液沉积或滴涂至基板上，形成均匀的渗流网络导电膜；

b）使用激光标记系统在所述渗流网络导电膜上蚀刻出图案，形成交错的电极；

c）采用激光微加工工艺，得到宽为10~500 µm的含有导电材料的微线；相邻两条微线之间的间距为10~500 µm；从而在基板上得到敏感层。

2.根据权利要求1所述的柔性可拉伸应变传感器，其特征在于，所述第一柔性聚合物层中的柔性聚合物和第二柔性聚合物层中的柔性聚合物独立的选自热塑性聚氨酯、聚丙烯酸酯、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯型嵌段共聚物、天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、硅橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶、氟橡胶、聚二甲基硅氧烷、苯乙烯类热塑性弹性体、烯烃类热塑性弹性体、二烯类热塑性弹性体、氯乙烯类热塑性弹性体、聚酰胺类热塑性弹性体和热塑性硫化橡胶中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的柔性可拉伸应变传感器，其特征在于，所述导电材料包括石墨烯、碳纳米管、金纳米线、银纳米线、铜纳米线和金属纳米颗粒中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的柔性可拉伸应变传感器，其特征在于，步骤a）中，沉积或滴涂至基板上之前，还包括：用乙醇清洗基板，并干燥；

所述基板为玻璃基板；

所述沉积的温度为100~120℃，时间为14~18 h。

5.根据权利要求1所述的柔性可拉伸应变传感器，其特征在于，步骤a）中，所述渗流网络导电膜的厚度为0.5~10 µm；

形成所述渗流网络导电膜的网线直径为80~90 nm，长度为40~80 µm。

6.根据权利要求1所述的柔性可拉伸应变传感器，其特征在于，所述第一柔性聚合物层的厚度为10~1500 µm；

所述第二柔性聚合物层的厚度为10~1500 µm。

7.一种柔性可拉伸应变传感器的制备方法，包括以下步骤：

A）在基板上制备敏感层；

B）将第一柔性聚合物溶液浇注在基板上的敏感层上，在60~80℃下进行热处理，得到第一柔性聚合物层；

C）在所述第一柔性聚合物层上粘附塑料板，剥离敏感层上的所述基板，并在敏感层上浇注第二柔性聚合物溶液，在60~80℃下进行热处理，得到第二柔性聚合物层，剥离所述塑料板，得到柔性可拉伸应变传感器。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤B）中，所述热处理的时间为0.5~1.5 h；

步骤C）中，所述热处理的时间为0.5~1.5 h。

9.权利要求1~6任意一项所述的柔性可拉伸应变传感器或权利要求7~8任意一项所述的制备方法制得的柔性可拉伸应变传感器在海底油气管道健康监测中的应用。

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