[发明专利]一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器及其制备方法，以锌箔纸为纳米纤维接收材料，并利用开槽石墨板夹持纳米纤维膜进行碳化处理，进而获得超薄型纯碳纳米纤维膜。以弹性聚氨酯作为基体，以超薄型碳纳米纤维膜作为导电体，并用导电银胶将碳纳米纤维膜与铜丝相连形成电极，使碳纳米纤维膜包覆于聚氨酯基体中，制得超薄透明型具有高牵伸应变及高灵敏度的柔性应变传感器。本发明可贴附于皮肤表面，检测面部表情的变化和人体关节运动等导致的应变以及声带振动、呼吸等生理信息，并且具有高稳定性；可识别运动过程中人体结构产生的弯曲及牵伸形变。这种传感器可以应用在智能服装及微小形变监测等领域。

技术领域

本发明属于传感器材料技术领域，具体涉及一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器及其制备方法。

背景技术

研究柔性高应变高敏感的传感器成为开发用于智能可穿戴设备的热点方向之一，其具有较高的柔韧性、高应变、高灵敏等优异性能，能够广泛应用于可穿戴电子产品领域，对人体运动及生理信息进行监测或用于人机交互系统。而传统的金属片以及半导体传感器只能在微小应变的条件下使用，且刚性大，不易弯曲，灵敏度低，所以开发柔性高应变/高灵敏应变传感器具有重大意义。目前报道的柔性应变传感器主要以导电的纳米材料及导电聚合物作为导电介质，例如纳米银线、金/银纳米颗粒、纳米炭黑、石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维膜及碳纳米纤维纱、聚吡喏、聚3,4～乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐、聚苯胺等，也有对普通棉织物、丝织物、麻织物进行碳化处理得到碳纤维织物并设计应变传感器的相关报道。为提高传感器在不同应变阶段的敏感性，部分研究者将多种具有不同结构的导电材料混合使用。传感器中导电材料的结构主要有与聚合物均匀混合结构、膜结构、纱结构、海绵结构、织物结构等。截止目前，还未有研究者利用高透光性的取向超薄碳纳米纤维膜(小于5μm)设计厚度小于200μm的柔性应变传感器的相关报道。

因此，本发明提出了一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器及其制备方法，旨在研发一种利用高透光性的取向超薄碳纳米纤维膜(小于5μm)设计厚度小于200μm的柔性应变传感器。

发明内容

本发明目的是提供一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器及其制备方法。

本发明的一种技术方案是：

一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器，包括长方形规整结构的碳纳米纤维膜、第一铜丝、第二铜丝和透明聚氨酯基体，所述第一铜丝的连接端通过导电银胶固定在所述碳纳米纤维膜的左端，所述第二铜丝的连接端通过导电银胶固定在所述碳纳米纤维膜的右侧，所述透明聚氨酯基体包覆所述第一铜丝的连接端、第二铜丝的连接端和所述碳纳米纤维膜，所述透明聚氨酯基体呈“工”字型结构，将所述透明聚氨酯基体分成左基体、连接基体和右基体，则连接基体的长度为10～40mm，所述碳纳米纤维膜的厚度为0.9～3.92μm，宽度为5～10mm，长度为40～70mm，所述碳纳米纤维膜的长度与所述连接基体的长度之差为30mm，所述第一铜丝与所述碳纳米纤维膜的左端端点的距离为5～10mm，所述第二铜丝与所述碳纳米纤维膜的右端端点的距离为5～10mm，所述第一铜丝与所述第二铜丝之间的距离为30～60mm，所述超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的宽度为25mm，长度为70mm，厚度为80μm～200μm。

本发明的另一种技术方案是：

一种超薄透明型碳纳米纤维膜柔性应变传感器的制备方法，该方法包括如下步骤：

(1)在高速旋转的滚筒表面包覆锌箔纸，利用单针静电纺丝法，通过控制纺丝时间及接收滚筒的转速获得聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维膜；