[发明专利]高介电弹性复合材料及其制备方法和在柔性传感中的应用有效
申请号: | 202110101628.0 | 申请日: | 2021-01-26 |
公开(公告)号: | CN112918031B | 公开(公告)日: | 2022-04-29 |
发明(设计)人: | 沈洋;范友军;南策文 | 申请(专利权)人: | 清华大学 |
主分类号: | B32B9/00 | 分类号: | B32B9/00;B32B9/04;B32B27/02;B32B27/30;B32B27/32;B32B27/40;B32B33/00;B32B37/06;B32B37/10;D01D5/00;D01F1/10;D01F6/70;D04H1/728;D06M17/00 |
代理公司: | 北京清亦华知识产权代理事务所(普通合伙) 11201 | 代理人: | 周慧云 |
地址: | 10008*** | 国省代码: | 北京;11 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 高介电 弹性 复合材料 及其 制备 方法 柔性 传感 中的 应用 | ||
本发明公开了一种高介电弹性复合材料及其制备方法和应用,复合材料包括:依次层叠分布的纳米陶瓷基弹性复合薄膜和纳米导电材料基弹性复合薄膜;纳米陶瓷基弹性复合薄膜包括陶瓷纳米材料和弹性聚合物基体材料,陶瓷纳米材料在弹性聚合物基体中呈三维网络结构分布;纳米导电材料基弹性复合薄膜包括导电纳米材料和弹性聚合物基体材料。本发明通过构建三维网络结构和异质薄膜的多级界面结构,实现了弹性复合薄膜在电场下界面极化与内电场调控的耦合效应,从而显著提高了复合材料的介电性能。同时这种微观结构设计优化了复合材料的力学性能。
技术领域
本发明属于柔性可拉伸电子器件技术领域,具体涉及一种应用于柔性应变传感器的高介电、低损耗和低模量的弹性介电复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
柔性传感器作为信息采集和智能控制系统的核心组件,能够对多种信息进行采集、处理和反馈,其在智能机器人、仿生假体、航空航天及健康监测等领域具有广泛的应用前景。
传统基于金属和半导体材料的力学传感器,在变形性和灵敏度方面存在重大挑战,无法对机械装备或柔性基体所受的复合应力及应变进行实时的检测和反馈。低维的柔性力学传感器,具有自由变形、高灵敏度及易于穿戴等多方面优势,将极大改善机械装备的感知系统,有助于解决柔性器件、航天器及机器人等设备在运行状态检测、机体风险评估及智能控制等方面所面临的重大难题。
传统常用的介电复合材料在介电性能和力学性能之间存在倒置耦合关系,难以实现在优化材料介电性能的同时保持优异的力学柔韧性。因此,通过精细结构设计与制备方法创新来实现介电性能和力学性能的优化,是当前亟需解决的难题。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此,本发明的一个目的在于提出一种高介电弹性复合材料及其制备方法和应用。本发明设计了不同纳米材料分别在弹性基体中形成网络结构,并采用不同电导率的复合薄膜叠层组装,构建具有多级界面和内电场调控效应的复合介电材料模型,增强了复合材料在电场下的界面极化效应,从而显著增强介电复合材料的介电性能,并优化材料的力学性能。
在本发明的一个方面,本发明提出了一种新型的高介电弹性复合材料,根据本发明的实施例,所述高介电弹性复合材料包括:
依次层叠分布的纳米陶瓷基弹性复合薄膜和纳米导电材料基弹性复合薄膜,且所述高介电弹性复合材料的最外层为所述纳米陶瓷基弹性复合薄膜;
所述纳米陶瓷基弹性复合薄膜包括陶瓷纳米材料和弹性聚合物基体材料,所述陶瓷纳米材料在所述弹性聚合物基体中呈三维网络结构分布;
所述纳米导电材料基弹性复合薄膜包括导电纳米材料和弹性聚合物基体材料,所述导电纳米材料在所述弹性聚合物基体中呈三维网络结构分布。
所述纳米陶瓷基弹性复合薄膜和纳米导电材料基弹性复合薄膜的叠层复合结构通过热压形成致密的一体化的弹性复合材料。
根据本发明实施例的高介电弹性复合材料,设计了不同纳米材料(即陶瓷纳米材料和导电纳米材料)分别在弹性基体中形成网络结构,并采用不同电导率的复合薄膜(即纳米陶瓷基弹性复合薄膜和纳米导电材料基弹性复合薄膜)叠层组装,构建具有多级界面和内电场调控效应的复合介电材料模型,增强了复合材料的界面极化效应和内电场调控作用。本发明采用纳米陶瓷基弹性复合薄膜和纳米导电材料基弹性复合薄膜叠层组装,一方面,在异质薄膜界面形成大的界面极化,通过界面极化有效提高复合材料的介电性能。另一方面,在复合材料中引入高电导率复合薄层(即纳米导电材料基弹性复合薄膜),实现对复合材料内电场调控,结合三维网络分布结构,显著增强了陶瓷纳米材料的偶极子极化,提高了复合材料的介电性能;本发明制备的5层结构的复合薄膜的介电常数可达113.4(在1000Hz的频率下),大约为聚氨酯材料的17倍,介电损耗约0.029。本发明制备的多层结构的复合材料共用相同的弹性基底,界面之间不存在显著缺陷,制备的复合薄膜具有低模量和非常优异的弹性性能,其断裂伸长率可达360%以上。
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