[发明专利]一种聚合物基复合柔性压电传感器的制备方法

说明书

本发明涉及传感器领域，公开了一种聚合物基复合柔性压电传感器的制备方法，本发明先制得锆钛酸铅超细陶瓷和氧化锌制备纳米棒阵列，再将棒状阵列植入模具中，制备聚合物基压电材料，将环氧树脂和苯乙烯‑丁二烯‑苯乙烯嵌段共聚物混合物注入模具中，待聚合物基凝固后，经过极化处理得到聚合物基复合柔性压电传感器，具有更加优异的检测性能，所用的高分子材料柔顺性好，可制成大而均匀的薄膜，压电系数和电‑机械耦合系数较小，复合后制得具有一定压电性能的复合材料，克服了两者的不足，具有强压电性、低脆性、低密度和低介电系数，且易制得大面积薄片以及复杂形状制品，制造工艺简单，成本低廉。

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种聚合物基复合柔性压电传感器的制备方法。

背景技术

传感器是人类自身对自然界各种感觉信息的探知，能够对不同信号和感知信息转化为可数字化、智能化的重要器件。在人类文明信息技术高速发展的过程中，传感器起到了越来越重的作用，是人类探索未知世界，同时也是人类了解现实世界，观察周边信息的重要手段之一。传感器是一种能把电、光、温度以及化学作用等非电学信号转化为电学信号的可调控的元器件。

锆钛酸铅/聚合物复合材料是一类新型功能压电材料，其介电、压电性能，不仅与复合材料的组成成分、各组分之间的百分比例有关，而且与两相材料的连通方式的关系也很密切。锆钛酸铅硬而脆的特性给成型加工带来困难，不能获得任意形状，而且耐冲击性能较差，使其应用受到严重制约。某些高分子材料柔顺性好，可制成大而均匀的薄膜，但其压电系数和电-机械耦合系数较小，温度特性和老化特性存在问题。

近年来，随着柔性可穿戴式电子产品的快速发展，柔性传感器和柔性储能元件引起了广泛的关注。柔性传感器和柔性储能元件作为可穿戴电子设备的重要组成部分，在人体运动检测、个性化健康监测以及智能人机交互等领域有着巨大的应用前景。其中，柔性传感器应兼具高灵敏性、宽检测范围、高柔性和高稳定性，而柔性储能元件应具有优异的电化学性能、良好的机械柔性等。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种聚合物基复合柔性压电传感器的制备方法。本发明先制得锆钛酸铅超细陶瓷粉末和氧化锌纳米棒阵列，将棒状阵列植入钢化模具中，用压模铸造技术制备聚合物基压电材料，将处理好的环氧树脂和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物的混合物注入模具中，待聚合物基凝固后，经过极化处理得到聚合物基复合柔性压电传感器，与传统传感器相比具有更加优异的检测性能。

本发明的具体技术方案为：一种聚合物基复合柔性压电传感器的制备方法，包括如下步骤：

（1）锆钛酸铅超细陶瓷粉末的制备：以钛酸丁酯、乙酸铅和二氧化锆为原料，控制锆、钛的质量比为50-54:46-50，将钛酸丁酯、乙酸铅和二氧化锆添加到由去离子水、乙二醇、乙醚和甲醚组成的溶剂中，加热搅拌3-4h，得到锆钛酸铅溶胶，干燥6-8h，除去水和有机溶剂形成干凝胶，进行煅烧，冷却后取出，得到锆钛酸铅超细陶瓷粉末。

本发明制得的锆钛酸铅超细陶瓷具有电功能，如介电性、压电性、铁电性和热释电性等，它居里点高，相对介电常数小，热释电常数大，横向与纵向机电耦合系数之间有很大的各向异性，很适合制作高频换能器。

（2）氧化锌纳米棒阵列的制备：使用电化学沉积法，采用二电极体系，取硝酸锌溶液作为电解液置于水浴中恒温70-80℃，将切好的锌箔和导电玻璃分别作为电沉积的阳极和阴极接入电路进行电沉积，沉积结束后，将导电玻璃取出，用去离子水清洗干净烘干，得到氧化锌纳米棒阵列。

电沉积是指金属或合金从其化合物水溶液、非水溶液或熔盐中电化学沉积的过程，这些过程在一定的电解质和操作条件下进行，金属电沉积的难易程度以及沉积物的形态与沉积金属的性质有关，也依赖于电解质的组成、pH值、温度、电流密度等因素。