[发明专利]一种铜基气凝胶-PDMS复合压阻式压力传感材料及其应用

说明书

本发明提供了一种铜基气凝胶‑PDMS复合压阻式压力传感材料及其应用。本发明材料通过简单的冷冻组装和高温退火反应方法制备，铜基气凝胶‑PDMS复合压阻式压力传感材料具有典型的三维组装块体结构，由三维搭接的石墨烯包裹铜纳米线核壳结构作为块体的纳米框架，节点处引入石墨烯的牢固化学结合，“外硬内软”的PDMS作为支撑层。所研制的铜基气凝胶‑PDMS复合压阻式压力传感材料具有超弹性，可以有效地感知外界压力，应用于压力探测传感中。本发明的铜基气凝胶‑PDMS复合压阻式压力传感材料具有低成本，灵敏响应，稳定和制备工艺简单等优点。

技术领域

本发明属于纳米功能材料领域，尤其是涉及一种节点处牢固结合的新型铜基气凝胶-PDMS复合压阻式压力传感材料及其应用。

背景技术

随着社会和人类文明的不断发展，人工智能已经慢慢渗透在人类生活当中，给人类生活提供了很多便利，与此同时，人工智能对高性能纳米功能材料的需求也与日俱增。其中，气凝胶凭借其三维多孔结构、超轻的密度和超大的比表面积等特点，在柔性器件、催化剂、燃料电池等方面得到了较广的应用和发展。现如今，气凝胶的发展则更加倾向于将他们的高导电特性和较好的力学性能相结合，制备灵敏的压力传感器，应用于人造皮肤、触感屏幕等方面。基于石墨烯、碳纳米管、金属纳米线和导电有机物等材料，可以制备高性能的压力传感器，但要将这些材料真正实用化，应用于人类生活中依然面临着巨大挑战。一方面，要制备高性能的传感器，需要精巧的结构设计，这就意味着复杂的制备工艺和原材料的大量投入，制备成本较高，很难普适推广；另一方面，目前基于金属纳米线制备的压力传感器确实能获得很好的响应，但选择的金属纳米线通常局限于金纳米线、铂纳米线和银纳米线，成本造价高。

那么，高导电的金属铜凭借成本低、储量大的特点，可视为金、铂、银等的潜在替代物铜。而且具有一维棒状纳米结构的铜纳米线，可作为构建三维多孔铜纳米结构的基本单元，从而组装成连续导电的铜气凝胶。目前合成的铜纳米线气凝胶，其力学和电学性能仍有待提高，基于铜纳米线构建压力传感器主要有两种方法。其中一种是由ChengWenlong等人(Yap,L.W.；Gong,S.；Tang,Y.；Zhu,Y.G.；Cheng,W.L.Soft Piezoresistive PressureSensing Matrix from Copper Nanowires Composite Aerogel.Sci.Bull.2016,61,1624-1630)提出的聚乙烯醇(PVA)增强法，将PVA与铜纳米线共组装，得到铜纳米线-PVA复合气凝胶，从而制备压力传感器。由于PVA的包裹，气凝胶的导电性有所降低，且传感器制备过程较复杂。

另一种是由Sun Jing等人(Xu,X.J.；Wang,R.R.；Nie,P.；Cheng,Y.；Lu,X.Y.；Shi,L.J.；Sun,J.Copper Nanowire Based Aerogel with Tunable PoreStructure and ItsApplication as Flexible PressureSensor.ACSAppl.Mater.Interfaces2017,9,14273-14280)提出的PU模板法，以PU为模板，在其三维多孔框架上直接生长铜纳米线，即可制备压力传感器。这种方法获得的铜纳米线气凝胶并不是一种自支撑结构，其力学性能和结构均依赖于起始的PU模板，可控性较差。