[发明专利]一种应力显色器件及其应用

说明书

本发明涉及一种应力显色器件及其应用。所述应力显色器件自上而下依次包括上透明电极层、变色层、电解质层、透明电极保护层和下透明电极层；所述变色层为电致变色材料层，且在外力作用下发生形变；所述上透明电极层和下透明电极层之间连接外电路，用以提供外电压，所述外电压低于使变色层发生变色的阈值电压。本发明的器件能够在较小的力作用下发生变色，且仅需简单操作即可使变色材料恢复到初始状态，可应用于应力分布传感器或冲量分布传感器。

技术领域

本发明涉及力致变色领域，尤其涉及一种应力显色器件及其应用。

背景技术

力致变色材料是一种对外界力刺激具有明显光学信号响应的智能材料，且力诱导光学信号的变化常常是可逆的，在一些其他刺激方式下可以恢复到初始状态。由于光学信号的变化很容易用裸眼定性观察或用仪器进行定量检测，因此力致变色材料在应力传感、防伪、无墨书写等方面有着重要的应用前景，近年来受到越来越多的关注。但是力致变色材料的发展相对较晚，到目前为止，力致变色材料的种类仍然有限，且其实际应用也只停留在一些概念产品的展示上，远不能满足实际应用的要求。因此，发展新型力致变色材料和拓展实际应用范围是目前力致变色材料领域的研究重点。

目前力致变色的研究多数集中在有机力致变色材料上，其力致变色机制主要集中在以下三个方面：(1)力改变分子间相互作用(如π-π相互作用、氢键相互作用、金属-金属相互作用等)；(2)力改变分子内的构象(如力诱导分子平面化等)；(3)力诱导分子发生局部的化学反应(如弱共价键异裂等)。但是基于这三种机制使材料发生变色的力往往很大，通常在GPa数量级，而且材料在较大的应力作用下发生变色后，通常需要通过机械研磨、加热或溶剂熏蒸处理等复杂的工艺才能恢复到初始状态，因此大大限制了其实际应用。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，克服现有技术中的缺点和不足，提供一种应力显色器件，其能够在较小的力作用下发生变色，且仅需简单操作即可使变色材料恢复到初始状态。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种应力显色器件，自上而下依次包括上透明电极层、变色层、电解质层、透明电极保护层和下透明电极层；所述变色层为电致变色材料层，且在外力作用下发生形变；所述上透明电极层和下透明电极层之间连接外电路，用以提供外电压，所述外电压低于使变色层发生变色的阈值电压。

本发明的工作原理为：在工作电压低于阈值的情况下，无外力作用时，电解质层中的离子不能注入变色层，变色层不发生变色；当施加外力时，变色层发生形变，其厚度变薄，引起变色层所处电场的增强，使得电解质层的离子注入变色层，引起变色层发生颜色的改变；当撤去外力和外电压后，变色层的颜色改变量可被保持下来。

相对于现有技术，本发明的力致变色层采用受压可形变的电致变色材料，使材料变色的阈值力大大减小，且通过显色的深浅度可直观记录应力的大小；在合适的反向工作电压下可擦除材料的着色状态，操作简单且可重复使用。

进一步地，所述阈值电压为0.01～1V。变色层存在阈值电压，当器件的工作电压低于阈值电压时，变色层不发生变色，当器件的工作电压超过阈值电压，变色层发生变色。相比于传统的力致变色材料，利用受压可形变的电致变色材料存在阈值电压实现力致变色现象，器件的灵敏度高，显色的阈值力小。

进一步地，所述变色层为纳米结构薄膜。纳米结构薄膜可以是纳米花、纳米线或纳米柱结构所组成的疏松结构薄膜，变色材料可以是无机变色材料或有机变色材料，优选氧化钨、氧化钛、氧化钒或其它可电致变色的金属氧化物。

进一步地，所述电解质层为半固态电解质层或全固态电解质层。

进一步地，所述电解质层的厚度为100nm～1mm。

进一步地，所述上透明电极层和下透明电极层为透明导电氧化物薄膜、碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜或银纳米线薄膜。