[发明专利]一种用于电子皮肤的柔性应力传感纤维材料及制备方法

说明书

本发明属于电子皮肤的技术领域，提供了一种用于电子皮肤的柔性应力传感纤维材料及制备方法。该方法以聚乙二醇改性大豆纤维，然后浸渍于铁基非晶合金与聚苯乙烯磺酸钠的复合水溶液中进行进一步改性，制得柔性应力传感纤维材料。与传统方法相比，本发明的制备的柔性应力传感纤维材料，以大豆纤维为基底，显著增强了传感器材料的柔性，而铁基非晶合金材料的加入确保了传感器材料的优异导电性能，并且利用氢键使铁基非晶合金材料均匀紧密的结合在柔性的大豆纤维基底上，稳定性好、不易脱落，可广泛用于可穿戴电子皮肤中。

技术领域

本发明属于电子皮肤的技术领域，提供了一种用于电子皮肤的柔性应力传感纤维材料及制备方法。

背景技术

电子皮肤，又名新型可穿戴柔性仿生触觉传感器，是贴在“皮肤”上的电子设备，因而习惯性的被称为电子皮肤。相较于传统的刚性触觉传感器，电子皮肤更加轻薄柔软，可被加工成各种形状，像衣服一样附着在人体或者是机器人的身体表面，使其具备感觉和触觉。目前，电子皮肤已广泛用于人体生理参数检测和机器人柔性触觉传感器等领域。

电子皮肤的基本单元是柔性应变传感器。随着智能终端的普及，电子皮肤作为可穿戴设备在过去20 年中得到蓬勃发展。许多新材料被开发用作电子皮肤的应变敏感材料，包括碳纳米管、石墨烯、金属和半导体纳米线、金属纳米颗粒、有机高分子材料等。然而，这些材料都有着自己的短板，强烈地限制了电子皮肤的实际应用。

例如，通过化学气相沉积方法生长的石墨烯往往含有很多缺陷和杂质，并且由于温度的限制无法直接生长在柔性衬底上；金属纳米颗粒多是由贵金属组成，并且由于隧穿效应在监测应变时电阻会变得很大；金属和半导体纳米线价格昂贵且难以大规模集成；有机高分子材料力学性能与人体皮肤最为接近，但是其导电性太差，需要较大电压驱动，对于可穿戴设备而言能耗高且不安全。因此，寻找同时具备导电性好、柔性佳、灵敏度高、稳定、易加工等特点的应变敏感材料对电子皮肤的实际应用迫在眉睫。

目前国内外在电子皮肤技术，尤其是电子皮肤柔性传感材料方面已取得了一定成效。其中李元庆等人发明了一种基于纤维素的柔性应力-应变敏感材料的制备方法（中国发明专利申请号201510853992.7），包括如下步骤如下：（1）将纤维素加入水中混合均匀，形成0.2~5wt％的水溶液；将上述水溶液冷冻干燥，制得纤维素气凝胶；（2）如上所述步骤（1）中所得纤维素气溶胶在真空或惰性气氛保护下，在600~1000℃的高温下进行裂解处理0.5~5小时，制得碳凝胶；（3）将上述碳凝胶中浇注PDMS树脂，真空脱泡；树脂固化后，即得具有高灵敏度的柔性应力-应变敏感材料。另外，吕晓洲发明了一种基于仿生结构的柔性触-压觉传感器（中国发明专利申请号201510340535.8），包括表层衬底、表层感应电极、表层弹性层、驱动电极、底层弹性层、底层感应电极和底层衬底。表层衬底的上表面设置有应力收集突起，其下表面耦合有表层感应电极，表层弹性层的下表面耦合有驱动电极，上表面刻蚀有深度小于表层弹性层厚度的敏感空隙，该敏感空隙与应力收集突起和表层感应电极上下垂直对齐；底层衬底的上表面耦合有底层感应电极，表层衬底、表层弹性层、底层弹性层和底层衬底自上而下依次叠加。

可见，现有技术中的用于电子皮肤的应变敏感材料，存在导电性不好，柔性不高，稳定性差，易脱落等问题，限制了电子皮肤的发展应用。

发明内容

针对这种情况，我们提出一种用于电子皮肤的柔性应力传感纤维材料及制备方法，可有效提高传感器材料的柔性和稳定性，并且导电性好，应用前景广阔。

为实现上述目的，本发明涉及的具体技术方案如下：

一种用于电子皮肤的柔性应力传感纤维材料的制备方法，以聚乙二醇改性大豆纤维，然后浸渍于铁基非晶合金与聚苯乙烯磺酸钠的复合水溶液中进行进一步改性，制得柔性应力传感纤维材料，制备的具体步骤如下：

（1）先制备得到大豆纤维，然后用去离子水清洗以去除表面杂质，并置于空气中进行常温干燥，进一步浸渍于聚乙二醇溶液中，再沥干，制得聚乙二醇改性的大豆纤维；