CN116294958B - 具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及柔性电子技术领域，尤其涉及一种具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器及其制备方法，所述柔性应变传感器包括柔性衬底、MXene@MWNT杂化薄膜敏感层，以及设置于柔性衬底和MXene@MWNT杂化薄膜敏感层之间的固化层。本发明使用MXene设计了高灵敏度和可拉伸的应变传感器，利用MXene@MWNT杂化薄膜具有独特的褶皱、裂纹和桥接结构，使得基于该结构的柔性应变传感器具有高灵敏度、高拉伸性能和良好的循环稳定性，从而实现对人体运动健康的检测和在人机交互领域的应用。并且，纳米/微尺度的裂纹通过隧穿效应极大地提升了杂化薄膜在应力作用下的电阻变化率。

Description

具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及柔性电子技术领域，尤其涉及一种具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器及其制备方法。
背景技术
可穿戴应变传感器经过几十年的发展，已经在人机交互、电子皮肤和医疗保健等方面掀起了很高的研究热潮。在基于压阻、压电、电容等多种应变传感器中，压阻传感器因其读出机制简单、灵敏度高而得到广泛应用。传统的压阻式应变传感器因其制备材料单一而坚硬易碎，难以与其他柔性器件集成。而柔性应变传感器克服了传统应变传感器的脆性缺陷，解决了应变传感器的诸多限制。其体积小、重量轻、易于集成等优点更是强化了传感器在恶劣环境中的应用。在柔性应变传感器中，导电纳米填料与可拉伸聚合物基质的协同作用是提高其性能的关键。
但是，目前所制得的柔性应变传感器还是无法满足实际应用的需求；例如，申请号201711430866.6公开了一种基于MXene材料的柔性应变传感器，并具体公开了敏感材料为基于MXene材料的导电薄膜；柔性衬底用于支撑并保护敏感材料；以及电极，电极分布于敏感材料两端。基于MXene材料的柔性应变传感器兼具高灵敏度、大的应变感应范围和高循环稳定性等优良特性。但其结构单一且脆性大，并不具备高度可拉伸性能；而申请号202111412772.2公开了一种柔性大应变传感器及其制备方法，并具体公开了一种柔性大应变传感器基底材料，通过热塑性聚氨酯、多壁碳纳米管和硅烷偶联剂在催化剂的作用下进行反应制备得到，虽然提高了柔性大应变传感器的循环稳定性。但其材料组成复杂、制备工艺繁琐等缺点限制了该材料的重复性制备。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器及其制备方法，旨在解决现有柔性应变传感器的可拉伸性能和循环稳定性较差的问题。
本发明的技术方案如下：
一种具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器，包括柔性衬底、MXene@MWNT杂化薄膜敏感层，以及设置于所述柔性衬底和所述MXene@MWNT杂化薄膜敏感层之间的固化层。
所述的具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器，其中，所述MXene@MWNT杂化薄膜敏感层的厚度为20μm-40μm。
所述的具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器，其中，所述柔性衬底的厚度为1.5mm-2.5mm。
所述的具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器，其中，所述MXene@MWNT杂化薄膜敏感层具有褶皱结构；所述MXene@MWNT杂化薄膜敏感层中，MXene与MWNT的质量比为(1-2):(1-2)；所述固化层的材质为聚二甲基硅氧烷。
一种具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器的制备方法，包括步骤：
提供MXene分散液和MWNT分散液；
将所述MXene分散液和所述MWNT分散液进行混合、稀释、超声，真空抽滤得到MXene@MWNT杂化薄膜；
对柔性衬底施加预拉伸应力，在柔性衬底表面涂覆固化剂形成固化层，然后将所述MXene@MWNT杂化薄膜粘结在所述固化层表面，经固化后释放施加在柔性衬底上的预拉伸应力，得到柔性应变传感器。
所述的具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器的制备方法，其中，所述MXene分散液的制备方法包括步骤：
提供MAX相粉末；
在所述MAX相粉末中加入氢氟酸进行刻蚀处理，洗涤、干燥得到二维MXene粉末；
将所述二维MXene粉末溶解于去离子水中，超声处理后得到所述MXene分散液。
所述的具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器的制备方法，其中，所述MAX相粉末的粒径为400目；所述氢氟酸的质量分数为40％。
所述的具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器的制备方法，其中，所述MWNT分散液的制备方法包括步骤：
将MWNT、十二烷基硫酸钠和H2O混合后进行细胞破碎超声处理，稀释配制得到MWNT分散液。
所述的具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器的制备方法，其中，将MWNT、十二烷基硫酸钠和H2O混合后以40％的功率进行细胞破碎超声1-2小时。
所述的具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器的制备方法，其中，所述MXene分散液中的MXene和所述MWNT分散液中的MWNT的质量比为(1-2):(1-2)。
有益效果：本发明提供一种具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器及其制备方法。所述柔性应变传感器包括柔性衬底、MXene@MWNT杂化薄膜敏感层，以及设置于所述柔性衬底和所述MXene@MWNT杂化薄膜敏感层之间的固化层。本发明使用MXene设计了高灵敏度和可拉伸的应变传感器，利用MXene@多壁碳纳米管(MWNT)杂化薄膜具有独特的褶皱、裂纹和桥接结构，且横向褶皱与纵向裂纹使得该材料在不同的拉伸方向具有各向异性的传感特性。使得基于该结构的柔性应变传感器具有高灵敏度、高拉伸性能和良好的循环稳定性，从而实现对人体运动健康的检测和在人机交互领域的应用。这种独特的褶皱、裂纹和桥接结构是通过调控杂化薄膜的组分及其施加在柔性衬底上的预拉伸应力实现控制制备的。在预拉伸应力释放后，大量的MWNT通过滑动在褶皱薄膜内形成桥接，从而使得杂化薄膜获得了较高的抗拉伸性能，而纳米/微尺度的裂纹通过隧穿效应极大地提升了杂化薄膜在应力作用下的电阻变化率。
附图说明
图1为实施例1中制备柔性应变传感器的预拉伸过程示意图；
图2为实施例2中的MXene@MWNT杂化膜柔性应变传感器的光学显微镜图；
图3为实施例2中的具有褶皱、裂纹和桥接结构的MXene@MWNT杂化薄膜柔性应变传感器的光学显微镜图。
具体实施方式
本发明提供一种具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明提供一种具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器，包括柔性衬底、MXene@MWNT杂化薄膜敏感层，以及设置于所述柔性衬底和所述MXene@MWNT杂化薄膜敏感层之间的固化层。
本实施方式中，所述柔性应变传感器利用褶皱、裂纹和桥接结构的MXene@MWNT杂化薄膜作为导电薄膜，并与柔性衬底结合，这种物理桥接方式促使材料获得高性能的柔性应变传感器；MXene的结构特性有助于提升柔性应变传感器的灵敏度、线性度和循环性能，MWNT的结构特性则有助于增加柔性应变传感器的可拉伸范围；而所述MXene@MWNT杂化薄膜中纳米/微尺寸的裂纹通过隧穿效应极大地提升了杂化薄膜在应力作用下的电阻变化率，使得本发明所述柔性应变传感器无需进行复杂的传感器结构设计就能达到优异的传感性能，有潜力被广泛应用于日常的人体动作感应、健康监测、智能机器人和人机交互等领域。
在一些实施方式中，所述柔性衬底和所述MXene@MWNT杂化薄膜敏感层的接触面设有导电银胶，所述导电银胶背离所述接触面的一面设有电极；所述MXene@MWNT杂化薄膜敏感层的两端连接有导线，所述MXene@MWNT杂化薄膜敏感层与所述导线的连接处涂覆有导电银胶；所述导线与所述电极连接。
在一些实施方式中，所述MXene@MWNT杂化薄膜敏感层的厚度为20μm-40μm，这种超薄杂化膜提升了材料的拉伸性能及其灵敏度。
在一种优选地实施方式中，所述MXene@MWNT杂化薄膜敏感层的厚度为20μm，该厚度的MXene@MWNT杂化薄膜敏感层具有较完美的褶皱、裂纹和桥接结构，使得柔性应变传感器具有较好的可拉伸性以及循环稳定性较好。
在一些实施方式中，所述柔性衬底的厚度为1.5mm-2.5mm；所述导电银胶的厚度为0.4mm-0.6mm，柔性衬底的厚度使得材料整体的拉伸性能得到提升。
在一种优选地实施方式中，所述柔性衬底的厚度为2mm，柔性较好，可拉伸性能可与所述MXene@MWNT杂化薄膜敏感层的拉伸性能相匹配；所述导电银胶的厚度为0.5mm，随着柔性应变传感器的拉伸，导电银胶不易松动脱落。
在一些实施方式中，所述MXene@MWNT杂化薄膜敏感层具有褶皱结构，使得基于该结构的柔性应变传感器具有高灵敏度、高拉伸性能和良好的循环稳定性；所述MXene@MWNT杂化薄膜敏感层中，MXene与MWNT的质量比为(1-2):(1-2)；所述固化层的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，利用PDMS具有很好的柔韧性和拉伸性，将所述MXene@MWNT杂化薄膜敏感层与所述柔性衬底进行粘接，可以使得所述柔性应变传感器的回弹性优异。
在一种具体地实施方式中，所述导电银胶设置于所述MXene@MWNT杂化薄膜敏感层两端与释放预拉伸应力后的柔性衬底的连接处，且所述导电银胶的上表面设有电极。
在一些实施方式中，所述MXene@MWNT杂化薄膜敏感层总质量为0.5-2.5mg，总质量在该范围内的MXene@MWNT杂化薄膜敏感层具有褶皱结构，使得基于该结构的柔性应变传感器具有高灵敏度、高拉伸性能和良好的循环稳定性。
除此之外，本发明还提供一种具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器的制备方法，包括步骤：
步骤S10：提供MXene分散液和MWNT分散液；
步骤S20：将所述MXene分散液和所述MWNT分散液进行混合、稀释、超声，真空抽滤得到MXene@MWNT杂化薄膜；
步骤S30：对柔性衬底施加预拉伸应力，在柔性衬底表面涂覆固化剂形成固化层，然后将所述MXene@MWNT杂化薄膜粘结在所述固化层表面，经固化后释放施加在柔性衬底上的预拉伸应力，得到柔性应变传感器。
在本实施方式中，所述真空抽滤以纤维素滤纸为滤膜，将所述MXene分散液和所述MWNT分散液混合得到的混合分散液通过真空抽滤的方式，即可得到MXene@MWNT杂化薄膜，且该杂化薄膜表面光滑，当将该杂化膜与柔性衬底结合后，可获得高性能的柔性应变传感器。具体地，所述MXene@MWNT杂化薄膜中的MXene的结构特性有助于提升柔性应变传感器的灵敏度、线性度和循环性能，而MWNT的结构特性则有助于增加柔性应变传感器的可拉伸范围，从而使得柔性传感器同时具备可拉伸性能好和循环稳定性高的优势。并且，本发明的制备方法成本低廉，制作工艺简单，无需进行复杂的传感器结构设计就能达到优异的传感性能，同时还可实现大规模的批量生产，可重复性好；且制备得到的柔性应变传感器有潜力被广泛应用于日常的人体动作感应、健康检测、智能机器人和人机交互等领域。
在一些实施方式中，所述固化剂为PDMS。
在一些实施方式中，所述MXene分散液的制备方法包括步骤：
步骤S11：提供MAX相粉末；
步骤S12：在所述MAX相粉末中加入氢氟酸进行刻蚀处理，洗涤、干燥得到二维MXene粉末；
步骤S13：将所述二维MXene粉末溶解于去离子水中，经超声处理后得到所述MXene分散液。
具体地，在2g粒径400目的MAX相粉末中加入15ml质量分数为40％的氢氟酸，刻蚀48h-72h；随后将所得产物用去离子水洗涤6-8次至pH在5-6之间，冷冻干燥8-12h后得到二维MXene粉末；然后取30mg二维MXene粉末溶解在30ml的去离子水中，超声20-30min，使二维MXene粉末均匀分数在去离子水中，得到MXene分散液。即所述MXene分散液的浓度为1mg/ml。
在一些实施方式中，所述MAX相粉末的粒径为400目，该尺寸下制备的MXene能够与MWNT形成最佳结合状态；所述氢氟酸的质量分数为40％，控制材料的脆性。
在一些实施方式中，所述MWNT分散液的制备方法包括步骤：将MWNT、十二烷基硫酸钠和H2O混合后进行细胞破碎超声处理，稀释配制得到MWNT分散液。
具体地，使用十二烷基硫酸钠(SDS)分散多壁碳纳米管(MWNT)。将20mg的MWNT、200mg的SDS和10ml H2O混合，然后以40％的功率进行细胞破碎超声1-2小时，得到浓度较高的MWNT分散液；随后利用浓度较高的MWNT分散液配制1mg/ml的MWNT分散液，并超声20-30min使MWNT均匀地分散在去离子水中。
在一些实施方式中，将MWNT、SDS和H2O混合后以40％的功率进行细胞破碎超声1-2小时，可以有效地将多壁碳纳米管进行分散，得到分散均匀的分散液。
在一些实施方式中，所述MXene分散液中的MXene和所述MWNT分散液中的MWNT的质量比为(1-2):(1-2)，该比例制得的MXene@MWNT杂化薄膜具有优异的褶皱、裂纹和桥接结构，作为柔性应变传感器的导电薄膜时，可以获得高性能的柔性应变传感器。
具体地，浓度为1mg/ml的MXene分散液和MWNT分散液分别量取1-2ml混合均匀，随后将混合液稀释到50-60ml并超声使其分散均匀；然后以纤维素滤纸为滤膜，将上述混合分散液通过真空抽滤形成所述MXene@MWNT杂化薄膜，剪取适当尺寸备用。
在一些实施方式中，所述柔性衬底为可拉伸硅橡胶基底，其具有较好的弹性，可拉伸性能较好。
具体地，所述柔性衬底的制备方法包括步骤：取适量PDMS与固化剂，按PDMS与固化剂的质量比为10:1进行混合，搅拌10-20分钟直至混合均匀，得到混合剂；将所述混合剂倒入模具中(向模具中倒入1.6g混合剂)，75-85℃干燥2h后取出，得到柔性衬底。
在一些实施方式中，所述步骤S30中，具体地，在制备好的柔性衬底上施加适当的预拉伸应力后，在柔性衬底表面均匀涂覆适当厚度的半固化PDMS，随后将所述MXene@MWNT杂化薄膜粘结在半固化PDMS表面，放置36-48h后，缓慢释放施加在柔性衬底上的预拉伸应力，得到具有褶皱、裂纹和桥接结构的杂化薄膜。在该杂化薄膜的两端连接铜线，并用导电银胶涂覆，再由电极引出导线与所述铜线连接，从而得到柔性应变传感器。
下面进一步举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。
实施例1
可拉伸柔性衬底的制备：适量PDMS与固化剂，两者按10:1质量比混合，搅拌15分钟直至混合均匀，得到混合剂。将上述混合剂倒入模具中(1.6g)，80℃干燥2h后取出。
MXene分散液的制备：在MAX相粉末中加入适量氢氟酸(在2g粒径400目的MAX相粉末中加入15ml质量分数为40％的氢氟酸)，刻蚀60h；随后将所得产物用去离子水洗涤7次至pH为5-6，冷冻干燥10h后得到二维MXene粉末。上述产物称取30mg溶解在30ml的去离子水中，超声25min使其均匀分散。
MWNT分散液的制备：使用十二烷基硫酸钠(SDS)分散多壁碳纳米管(MWNT)。将20mg的MWNT、200mg的SDS和10ml H2O混合。然后以40％的功率进行细胞破碎超声1.5小时。随后配制1mg/ml的MWNT分散液，超声25min使其均匀分散在去离子水中。
MXene@MWNT杂化膜的制备：上述MXene和MWNT分散液1:1混合，总质量为0.7-1.0mg，随后将混合分散液稀释到50ml并超声使其分散均匀。将上述混合分散液真空抽滤在纤维素滤纸膜上，剪取适当尺寸备用。
在柔性衬底表面涂覆合适厚度的半固化PDMS，将杂化膜粘结在半固化PDMS表面。放置40h后得到转移至柔性基底表面的光滑杂化薄膜。在上述杂化薄膜两端连接铜线并用导电银胶涂覆，再由电极引出导线与上述铜线连接，由此得到MXene@MWNT杂化薄膜柔性应变传感器。
在施加30％预拉伸应力的柔性基底表面涂覆合适厚度的半固化PDMS，将杂化膜粘结在半固化PDMS表面，图1为预拉伸过程示意图。放置40h后，缓慢释放施加在柔性基底上的预拉伸应力，得到具有褶皱、裂纹和桥接结构的MXene@MWNT杂化薄膜。在上述杂化薄膜两端连接铜线并用导电银胶涂覆，再由电极引出导线与上述铜线连接，由此得到具有褶皱、裂纹和桥接结构的MXene@MWNT杂化薄膜柔性应变传感器。
实施例2
可拉伸柔性衬底的制备：适量PDMS与固化剂，两者按10:1质量比混合，搅拌15分钟直至混合均匀，得到混合剂。将上述混合剂倒入模具中(1.6g)，80℃干燥2h后取出，得到柔性衬底。
MXene分散液的制备：在MAX相粉末中加入适量氢氟酸(在2g粒径400目的MAX相粉末中加入15ml质量分数为40％的氢氟酸)，刻蚀60h；随后将所得产物用去离子水洗涤7次至pH为5-6，冷冻干燥10h后得到二维MXene粉末。上述产物称取30mg溶解在30ml的去离子水中，超声25min使其均匀分散。
MWNT分散液的制备：使用十二烷基硫酸钠(SDS)分散多壁碳纳米管(MWNT)。将20mg的MWNT、200mg的SDS和10ml H2O混合。然后以40％的功率进行细胞破碎超声1.5小时。随后配制1mg/ml的MWNT分散液，超声25min使其均匀分散在去离子水中。
MXene@MWNT杂化膜的制备：上述MXene和MWNT分散液1:1混合，总质量为1.0-1.5mg，随后将混合分散液稀释到50ml并超声使其分散均匀。将上述混合分散液真空抽滤在纤维素滤纸膜上，剪取适当尺寸备用。
在柔性基底表面涂覆合适厚度的半固化PDMS，将杂化膜粘结在半固化PDMS表面。放置40h后得到转移至柔性基底表面的光滑杂化薄膜。在上述杂化薄膜两端连接铜线并用导电银胶涂覆，再由电极引出导线与上述铜线连接，由此得到MXene@MWNT杂化薄膜柔性应变传感器。图2是该样品的光学显微镜图片，说明未预拉伸的杂化膜表面较光滑，并不能具备好的拉伸性能。
在施加30％预拉伸应力的柔性基底表面涂覆合适厚度的半固化PDMS，将杂化膜粘结在半固化PDMS表面。放置40h后，缓慢释放施加在柔性基底上的预拉伸应力，得到具有褶皱、裂纹和桥接结构的MXene@MWNT杂化薄膜。在上述杂化薄膜两端连接铜线并用导电银胶涂覆，再由电极引出导线与上述铜线连接，由此得到具有褶皱、裂纹和桥接结构的MXene@MWNT杂化薄膜柔性应变传感器。图3是该样品的光学显微镜图片，皱结构与裂纹较为明显。
实施例3
可拉伸柔性衬底的制备：适量PDMS与固化剂，两者按10:1质量比混合，搅拌15分钟直至混合均匀，得到混合剂。将上述混合剂倒入模具中(1.6g)，80℃干燥2h后取出，得到柔性衬底。
MXene分散液的制备：在MAX相粉末中加入适量氢氟酸(在2g粒径400目的MAX相粉末中加入15ml质量分数为40％的氢氟酸)，刻蚀60h；随后将所得产物用去离子水洗涤7次至pH为5-6，冷冻干燥10h后得到二维MXene粉末。上述产物称取30mg溶解在30ml的去离子水中，超声20-30min使其均匀分散。
MWNT分散液的制备：使用十二烷基硫酸钠(SDS)分散多壁碳纳米管(MWNT)。将20mg的MWNT、200mg的SDS和10ml H2O混合。然后以40％的功率进行细胞破碎超声1.5小时。随后配制1mg/ml的MWNT分散液，超声25min使其均匀分散在去离子水中。
MXene@MWNT杂化膜的制备：上述MXene和MWNT分散液1:1混合，总质量为1.0-1.5mg，随后将混合分散液稀释到50ml并超声使其分散均匀。将上述混合分散液真空抽滤在纤维素滤纸膜上，剪取适当尺寸备用。
在柔性基底表面涂覆合适厚度的半固化PDMS，将杂化膜粘结在半固化PDMS表面。放置40h后得到转移至柔性基底表面的光滑杂化薄膜。在上述杂化薄膜两端连接铜线并用导电银胶涂覆，再由电极引出导线与上述铜线连接，由此得到MXene@MWNT杂化膜柔性应变传感器。
在施加50％预拉伸应力的柔性基底表面涂覆合适厚度的半固化PDMS，将杂化膜粘结在半固化PDMS表面。放置40h后，缓慢释放施加在柔性基底上的预拉伸应力，得到具有褶皱、裂纹和桥接结构的MXene@MWNT杂化薄膜。在上述杂化薄膜两端连接铜线并用导电银胶涂覆，再由电极引出导线与上述铜线连接，由此得到具有最为明显褶皱、裂纹和桥接结构的MXene@MWNT杂化薄膜柔性应变传感器。在应变传感性能测试中，更为密集的褶皱结构能够增加其灵敏度。
实施例4
可拉伸柔性衬底的制备：适量PDMS与固化剂，两者按10:1质量比混合，搅拌15分钟直至混合均匀，得到混合剂。将上述混合剂倒入模具中(1.6g)，80℃干燥2h后取出，得到柔性衬底。
MXene分散液的制备：在MAX相粉末中加入适量氢氟酸(在2g粒径400目的MAX相粉末中加入15ml质量分数为40％的氢氟酸)，刻蚀60h；随后将所得产物用去离子水洗涤7次至pH为5-6，冷冻干燥10h后得到二维MXene粉末。上述产物称取30mg溶解在30ml的去离子水中，超声25min使其均匀分散。
MWNT分散液的制备：使用十二烷基硫酸钠(SDS)分散多壁碳纳米管(MWNT)。将20mg的MWNT、200mg的SDS和10ml H2O混合。然后以40％的功率进行细胞破碎超声1.5小时。随后配制1mg/ml的MWNT分散液，超声25min使其均匀分散在去离子水中。
MXene@MWNT杂化膜的制备：上述MXene和MWNT分散液1:1混合，总质量为1.0-1.5mg，随后将混合分散液稀释到50ml并超声使其分散均匀。将上述混合分散液真空抽滤在纤维素滤纸膜上，剪取适当尺寸备用。
在柔性基底表面涂覆合适厚度的半固化PDMS，将杂化膜粘结在半固化PDMS表面。放置40h后得到转移至柔性基底表面的光滑杂化薄膜。在上述杂化薄膜两端连接铜线并用导电银胶涂覆，再由电极引出导线与上述铜线连接，由此得到MXene/MWNT杂化膜柔性应变传感器。
在施加70％预拉伸应力的柔性基底表面涂覆合适厚度的半固化PDMS，将杂化膜粘结在半固化PDMS表面。放置40h后，缓慢释放施加在柔性基底上的预拉伸应力，得到具有褶皱、裂纹和桥接结构的MXene@MWNT杂化薄膜。在上述杂化薄膜两端连接铜线并用导电银胶涂覆，再由电极引出导线与上述铜线连接，由此得到具有最为密集的褶皱、裂纹和桥接结构的MXene@MWNT杂化薄膜柔性应变传感器。其灵敏度因褶皱结构的增加而增加到最大。
综上所述，本发明提供的一种具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器及其制备方法，所述柔性应变传感器包括柔性衬底、MXene@MWNT杂化薄膜敏感层，以及设置于所述柔性衬底和所述MXene@MWNT杂化薄膜敏感层之间的固化层。本发明使用MXene设计了高灵敏度和可拉伸的应变传感器，利用MXene@多壁碳纳米管(MWNT)杂化薄膜具有独特的褶皱、裂纹和桥接结构，使得基于该结构的柔性应变传感器具有高灵敏度、高拉伸性能和良好的循环稳定性，从而实现对人体运动健康的检测和在人机交互领域的应用。这种独特的褶皱、裂纹和桥接结构是通过调控杂化薄膜的组分及其施加在柔性衬底上的预拉伸应力实现控制制备的。在预拉伸应力释放后，大量的MWNT通过滑动在褶皱薄膜内形成桥接，从而使得杂化薄膜获得了较高的抗拉伸性能，而纳米/微尺度的裂纹通过隧穿效应极大地提升了杂化薄膜在应力作用下的电阻变化率。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器，其特征在于，包括柔性衬底、MXene@MWNT杂化薄膜敏感层，以及设置于所述柔性衬底和所述MXene@MWNT杂化薄膜敏感层之间的固化层；
所述MXene@MWNT杂化薄膜敏感层的厚度为20μm-40μm；
所述MXene@MWNT杂化薄膜敏感层具有褶皱结构；所述MXene@MWNT杂化薄膜敏感层中，MXene与MWNT的质量比为(1-2):(1-2)；所述固化层的材质为聚二甲基硅氧烷；
所述MXene@MWNT杂化薄膜敏感层总质量为0.5-2.5mg。
2.根据权利要求1所述的具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器，其特征在于，所述柔性衬底的厚度为1.5mm-2.5mm。
3.一种如权利要求1-2任一项所述的具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，包括步骤：
提供MXene分散液和MWNT分散液；
将所述MXene分散液和所述MWNT分散液进行混合、稀释、超声，真空抽滤得到MXene@MWNT杂化薄膜；
对柔性衬底施加预拉伸应力，在柔性衬底表面涂覆固化剂形成固化层，然后将所述MXene@MWNT杂化薄膜粘结在所述固化层表面，经固化后释放施加在柔性衬底上的预拉伸应力，得到柔性应变传感器。
4.根据权利要求3所述的具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，所述MXene分散液的制备方法包括步骤：
提供MAX相粉末；
在所述MAX相粉末中加入氢氟酸进行刻蚀处理，洗涤、干燥得到二维MXene粉末；
将所述二维MXene粉末溶解于去离子水中，超声处理后得到所述MXene分散液。
5.根据权利要求4所述的具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，所述MAX相粉末的粒径为400目；所述氢氟酸的质量分数为40％。
6.根据权利要求3所述的具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，所述MWNT分散液的制备方法包括步骤：
将MWNT、十二烷基硫酸钠和H2O混合后进行细胞破碎超声处理，稀释配制得到MWNT分散液。
7.根据权利要求6所述的具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，将MWNT、十二烷基硫酸钠和H2O混合后以40％的功率进行细胞破碎超声1-2小时。
8.根据权利要求3所述的具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，所述MXene分散液中的MXene和所述MWNT分散液中的MWNT的质量比为(1-2):(1-2)。
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