[发明专利]具有断裂感应机电灵敏度的纤维基复合材料

说明书

公开了断裂感应的复合材料传感器及其制造方法。该传感器可用作应变传感器、压电电阻传感器、压电电容传感器、和非接触式位移可穿戴传感器。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年12月1日提交的申请号为62/593,774的美国临时申请的权益，其公开内容的全文通过引用明确地并入本文。

背景技术

可穿戴式传感器具有诊断应用程序和监测应用程序。材料、电子和制造技术方面的最新发展推动了新的高保真感测平台的发展及其在生物医学领域中的应用。例如，眼睛运动跟踪传感器可以用于诊断和治疗神经系统疾病，例如智力低下、癫痫、自闭症和痴呆。但是，当前的可穿戴传感器在可用性、可及性和成本方面受到限制。庞大的设备和高昂的操作成本极大地限制了该技术的可及性和临床应用。

使用纤维素纤维模板的纳米结构复合材料已显示出有望开发为轻质且廉价的传感设备的前景。从木浆中提取的纤维素纤维提供大的表面面积，从而促进能源、传感和电子应用。由于纤维素纤维的多孔和亲水性质增强了粘附性，因此已经使用各种纳米材料来改变纤维素纤维的表面特性以用于多功能性。碳纳米管(CNT)是通用的填充材料，以产生导电性和导热性。制造CNT- 纸复合材料(CPC)时，它有望带来新颖的应用，例如柔性电子器件、能源设备和传感器。然而，由于基质中的许多电流路径，纤维素纤维基质中的CNT 的无规网络限制了机电灵敏度。

因此，仍然需要低成本、优选一次性的、易于可触及的传感器，该传感器可以容易地适应于人体以进行行为监测。

发明内容

一方面，本文提供一种传感器，包括：

复合材料基底，其包括含有多根绝缘纤维的模板材料和结合到该绝缘纤维的多个碳纳米管，该多个碳纳米管在绝缘纤维上形成纳米管涂层，该复合材料基底具有通过向复合材料基底施加单向拉力而引起的断裂，其中所述多根绝缘纤维在所述断裂部位处形成多个交叉接合部；和

第一电极和第二电极，第一电极在断裂的一侧上联接到纳米管涂层，第二电极在断裂的相反侧上联接到纳米管涂层，使得在第一电极和第二电极之间施加的电信号在断裂部位处穿过多个交叉接合部。

在另一方面，本文提供一种制造传感器的方法，该方法包括向前体复合材料基底施加单向拉力，从而引起断裂以形成断裂的复合材料基底，其中前体复合材料基底包括：

包含多根绝缘纤维的模板材料；

结合到绝缘纤维的多个碳纳米管，其在绝缘纤维上形成纳米管涂层；

第一电极，其在断裂的一侧上联接到纳米管涂层；和

第二电极，其在断裂的相反侧上联接到纳米管涂层；并且

其中，所述多根绝缘纤维在所述断裂部位处形成多个交叉接合部。

在一些实施例中，碳纳米管是多壁碳纳米管。在一些实施例中，绝缘纤维是从木浆提取的纤维、棉纤维、合成纤维或其组合。

在另一方面，提供了如本文所示和所述的使用传感器的方法。在一些实施例中，本文公开的传感器可以用作平面内应变传感器、平面外压电电阻传感器或电容传感器。

附图说明

图1A-图1D示出了拉伸断裂感应传感器的制造过程和机制。图1A 是制造过程的示意图。图1B是根据机械和电气特性灵敏度产生的概念图。图1C示出了空白纸和具有3x、10x和20x碳纳米管沉积的复合材料的应力-应变特性 (左)和相对电阻变化(右)；其中拉伸垂直于主纤维方向。图1D显示了根据所施加的应变，复合材料的微米和纳米结构重新取向、SEM图像以及取向统计的示意图。