[发明专利]一种纤维式摩擦电应变传感器及其制备方法

权利要求书

1.一种纤维式摩擦电应变传感器，其特征在于：由内而外依次为纤维基底层、工作电极层和封装层，其中，所述纤维基底层的材料为具有良好生物兼容性的柔性可拉伸聚合物，所述工作电极层的材料为导电材料，所述封装层的材料为柔性可拉伸聚合物，所述纤维基底层和工作电极层置于封装层内，所述工作电极层固定于所述纤维基底层外周呈螺旋线或蛇形结构。

2.根据权利要求1所述的纤维式摩擦电应变传感器，其特征在于：所述纤维基底层的材料为聚氨酯、硅胶、硅橡胶、聚二甲基硅氧烷、聚醚醚酮、聚甲醛和/或聚对苯二甲酸丁二醇酯；所述工作电极层的材料为金属、合金、导电氧化物和/或碳基材料；所述封装层的材料为聚二甲基硅氧烷、聚对二甲苯、尼龙和/或聚四氟乙烯。

3.根据权利要求2所述的纤维式摩擦电应变传感器，其特征在于：所述工作电极层的材料为金、银、铝、铜、氧化铟锡、纳米金颗粒、纳米银颗粒、纳米铜颗粒、银纳米线、石墨烯、碳纳米管、活性炭、导电炭黑和/或Mxene。

4.根据权利要求1所述的纤维式摩擦电应变传感器，其特征在于：所述工作电极层具有螺旋线结构，所述纤维基底层的纤维直径为0.5-3mm，旋转喷墨打印以200Hz出墨频率、10转/min的旋转速度和10mm/min的水平位移速度打印50匝工作电极层，纤维基底层下方用90℃的加热平台进行墨迹烘干。

5.根据权利要求1所述的纤维式摩擦电应变传感器，其特征在于：所述工作电极层的螺旋线结构为单螺旋线结构、双平行螺旋线结构、双交叉螺旋线结构、多平行螺旋线结构、多交叉螺旋线结构、单蛇形线结构、双平行蛇形线结构、双交叉蛇形线结构、多平行蛇形线结构和/或多交叉蛇形线结构。

6.权利要求1所述纤维式摩擦电应变传感器的制备方法，其特征在于：基于旋转喷墨打印技术制造出具有螺旋线或蛇形导电结构的摩擦电应变传感器。

7.根据权利要求6所述的纤维式摩擦电应变传感器的制备方法，其特征在于：具体步骤为：

(1)将原始纤维基底在乙醇和去离子水中分别超声清洗15min，并在氮气流中干燥，获得干燥洁净的纤维基底；

(2)将步骤(1)所得的纤维基底进行氧气等离子体预处理，在100Hz功率下处理1min，获得具有活性表面的纤维基底；

(3)利用旋转喷墨打印技术在步骤(2)所得的纤维基底表面上打印螺旋线结构的工作电极；

(4)将步骤(3)所得的具有螺旋线结构工作电极的纤维基底放置于120℃烤箱中，烘烤10min，获得稳定工作电极层；

(5)将步骤(4)所得的具有螺旋线结构的纤维基底(3)放置于中空模具中；

(6)注入封装层材料并固化；

(7)将固化后的纤维从模具中脱出，从而获得具有螺旋线结构的纤维式摩擦电应变传感器。

8.根据权利要求7所述的纤维式摩擦电应变传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中纤维基底材料为弹性聚合物纤维基底材料，在氧气等离子体预处理后，需要进行表面功能化处理，包括但不限于官能团修饰。

9.根据权利要求7所述的纤维式摩擦电应变传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中将步骤(2)所得的纤维基底(3)两端通过夹具(2)固定于旋转轴(1)上，以10转/min的旋转速度正向或反向旋转，在气控装置控制下，喷墨打印喷头(4)在-8Pa压力下以200Hz出墨频率在纤维基底(3)上打印工作电极层，所述纤维基底(3)下方放置可调加热平台5，在90℃对打印于纤维基底的墨迹进行烘干。

10.根据权利要求9所述的纤维式摩擦电应变传感器的制备方法，其特征在于：所述旋转轴(1)固定于水平位移平台(6)上，可通过控制位移平台6平移距离调控有效打印长度，可通过控制位移平台(6)移动速度进而调节螺旋线间距，可通过控制旋转轴(1)旋转时间调控螺旋线匝数，可通过相同位置喷墨打印次数控制工作电极层厚度；可通过控制不同位置喷墨打印螺旋线数量和螺旋线旋转方向调控工作电极层形态。