[发明专利]钛酸铜钙/聚二甲基硅氧烷复合柔性泡沫及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于柔性复合功能电子材料及敏感器件技术领域，具体涉及一种钛酸铜钙/聚二甲基硅氧烷复合柔性泡沫及其制备方法和应用。

背景技术

集成多种传感功能的“电子皮肤”在下一代智能平台应用中无所不在：如可穿戴智能健康监测、敏感触觉、假肢、多功能机器人皮肤等场合将得到广泛应用。类似于人类皮肤，“电子皮肤”通过将压力、温度、湿度等转换成电信号从而实现人工触觉系统功能。柔性化是对“电子皮肤”的基本要求，而柔性有机半导体材料是开发目前柔性集成电子器件的理想材料。研究集中在有机材料的制备及微观形貌控制，热稳定性和环境耐受性研究，器件集成制作等方面。实验室已经实现基于有机半导体的柔性薄膜电容器、寄存器和集成电路等，具有很好的生物相容性和可降解性。但是有机材料固有的工艺合成复杂、稳定性等问题仍旧是限制其市场应用的瓶颈问题。具有良好柔性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)广泛应用在MEMS生物医学工程中，它具有优异的生理惰性、耐热耐寒性、柔性和良好的绝缘性，在柔性“电子皮肤”应用研究领域受到重点关注，目前已经开发出柔性多孔PDMS功能材料及基于该功能材料的压力传感器。

基于多孔PDMS的柔性压力传感器是是基于应变导致电容变化的原理实现压力传感的。具体过程为：外加压力使多孔PDMS发生形变，从而以此为介质的电容器电容值发生改变，最终通过对电容变化量的测量实现对压力的测量。由于PDMS的介电常数较小(～2.8)，单纯通过提高PDMS的孔隙率难以进一步提高PDMS压力传感器的灵敏度，并且未见有关高介电颗粒与PDMS复合形成柔性介质泡沫复合材料的相关报道。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供一种钛酸铜钙/聚二甲基硅氧烷复合柔性泡沫及其制备方法和应用，以解决CCTO/PDMS复合柔性泡沫弹性和柔性不足、生产工艺复杂，以及采用CCTO/PDMS复合柔性泡沫制备的压力传感器灵敏度低的问题。

一种钛酸铜钙/聚二甲基硅氧烷复合柔性泡沫，包括以下重量份的组分：

PDMS前驱物10～12份、二甲基硅油1～2份、CCTO粉体0.3～4份、硅烷偶联剂0.03～0.2份、固化剂1～1.2份、造孔剂13～18份以及乙醇5～15份。

进一步地，PDMS前驱物10份、二甲基硅油1.5份、CCTO粉体2份、硅烷偶联剂0.1份、固化剂1份、造孔剂18份以及乙醇20份。

进一步地，硅烷偶联剂为KH550或KH570。

进一步地，CCTO粉体粒径为100nm～400nm。

进一步地，固化剂为二甲基甲基氢硅氧烷、三甲基羟基硅烷、烷氧基硅烷或羟基硅烷。

进一步地，造孔剂为粒径为2μm～200μm的蔗糖或氯化钠细粉末。

上述钛酸铜钙/聚二甲基硅氧烷复合柔性泡沫的制备方法，包括以下步骤：

(1)按配方将CCTO粉体、PDMS前驱物、二甲基硅油、乙醇、硅烷偶联剂混合，置于球磨罐中球磨15～30min，得混合物Ⅰ；

(2)向混合物Ⅰ中加入造孔剂和固化剂，继续研磨20～40min，得混合物Ⅱ；

(3)于20～40MPa、80～160℃的条件下，将混合物Ⅱ置于模具中固化，保温2～10h，得块状样品；

(4)将步骤(3)所得块状样品置于40～80℃的去离子水中浸泡30～60h，浸泡过程中每隔8～10h换水一次，直至无造孔剂溶出为止，然后再在80～100℃的条件下烘干6～15h，得CCTO/PDMS复合柔性泡沫。

上述钛酸铜钙/聚二甲基硅氧烷复合柔性泡沫在压力传感器制备中的应用。

进一步地，将CCTO/PDMS复合柔性泡沫剪切为10～20mm厚的薄片，在薄片两面粘附柔性导电电极，制成压力传感器。

进一步地，柔性导电电极为导电铜胶带、导电铝胶带、ITO-PET柔性导电膜或碳纳米管/石墨烯导电膜。

本发明的有益效果为：

(1)本发明得到的CCTO/PDMS复合柔性泡沫具有优异的力学性能和介电性能，孔隙率高达65％～80％，孔径尺寸在2μm～200μm，断裂伸长比60％～83％，压缩比40％以内的压缩模量为0.005MPa～0.04MPa，具有很好的弹性和柔性，非常适用于电容式压力传感器；

(2)本发明提供的基于CCTO/PDMS复合柔性泡沫材料的电容式压力传感器，最高灵敏度达到6.3％/Pa，压力响应量程为10Pa～1000Pa，具有灵敏度高和量程宽的优点，同时具有柔性，在柔性电子领域具有广泛的应用前景。