[发明专利]可拉伸应变传感器材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种可拉伸应变传感器材料，包括石墨烯气凝胶层、金属网络层和有机聚合物弹性材料，所述金属网络层叠加在所述石墨烯气凝胶层上，所述石墨烯气凝胶层中具有定向排列的石墨烯片，所述定向排列的石墨烯片的直立方向与所述叠加方向一致，所述定向排列的石墨烯片之间通过石墨烯连接，所述有机聚合物弹性材料填充在所述石墨烯气凝胶层的孔隙和所述金属网络层的孔隙中，所述可拉伸应变传感器材料具有多个朝向所述叠加方向贯穿的通孔，使得所述可拉伸应变传感器材料形成网格状镂空结构。本发明还公开了一种可拉伸应变传感器材料的制备方法和应用。本发明还公开了一种可拉伸应变传感器。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种可拉伸应变传感器材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，在可穿戴电子领域对柔性传感器的需求越来越大。其通过拉伸应变传感器可将机械形变转化为可探测的电学信号，在智能机器人、医疗监测、人机交互界面及仿生假肢等领域都展现出良好的应用前景。对于人体运动监测，理想的应变传感器件须兼具高拉伸率、高灵敏度以及良好的稳定性，从而为实现全尺度人体运动检测提供可能。

目前，可拉伸应变传感器的伸缩性主要基于弹性基材自身的拉伸极限，以及结构类传感器自身的结构设计。前者主要针对导电材料与弹性基材的结合方式，包括导电薄膜沉积或转移到弹性聚合物基材上，其传感原理主要是基于导电薄膜产生裂纹以及重叠的导电区的形成，但该裂纹的形成并不容易操纵，并且在很多情况下，尤其是当产生大而长的裂纹时，感应范围相对较低。不仅如此，由于导电纳米材料和聚合物基体的机械性能和表面性能差异很大，因此在经受周期性的加载/卸载条件时，导电材料薄片和弹性体基材之间经常会发生脱粘或分层。两者结合的第二种方式是将导电填料直接填充于弹性基材中，其传感原理是基于导电材料之间的分离。但导电材料通常与弹性体不相容，并且倾向于在基体中形成附聚物。需借助如剪切混合，超声处理，均质化等分散技术以改善导电材料在弹性体基质中的分散性。同时，导电填料直接影响弹性基材自身的可拉伸性。结构类的传感器多针对一些导电薄膜类材料，通过设计具有大变形能力的结构制备可拉伸传感器，例如分形和蛇形结构，面外波浪形结构，Kirigami结构和3D多孔结构等来提升拉伸率，但其灵敏度较低。

一些可拉伸应变传感器虽然已取得良好的传感性能，但同时实现高灵敏度和宽传感范围仍然是一个主要挑战。

发明内容

基于此，有必要提供一种兼具高灵敏度和宽传感范围的可拉伸应变传感器材料及其制备方法和应用。

本发明的第一目的在于提供一种可拉伸应变传感器材料，包括石墨烯气凝胶层、金属网络层和有机聚合物弹性材料，所述金属网络层叠加在所述石墨烯气凝胶层上，所述石墨烯气凝胶层中具有定向排列的石墨烯片，所述定向排列的石墨烯片的直立方向与所述叠加方向一致，所述定向排列的石墨烯片之间通过石墨烯连接，所述有机聚合物弹性材料填充在所述石墨烯气凝胶层的孔隙和所述金属网络层的孔隙中，所述可拉伸应变传感器材料具有多个朝向所述叠加方向贯穿的通孔，使得所述可拉伸应变传感器材料形成网格状镂空结构。

本发明的第二目的在于提供一种可拉伸应变传感器，包括上述任一实施例所述的可拉伸应变传感器材料以及与所述可拉伸应变传感器材料电连接的引线。

本发明的第三目的在于提供上述任一实施例所述的可拉伸应变传感器材料在可穿戴电子器件、智能机器人、医疗监测仪器或仿生假肢中的应用。

本发明的第四目的在于提供上述任一实施例所述的可拉伸应变传感器材料的制备方法，包括以下步骤：

将石墨烯粉体在水中分散得到石墨烯墨水；

将所述石墨烯墨水注入模具中，所述模具的底部具有多个凸起结构，所述多个凸起结构形成网格状阵列；

将注入有所述石墨烯墨水的模具置于液氮中进行冷冻成型，使所述石墨烯墨水形成石墨烯冰层，所述液氮的挥发方向为自所述模具的底部向顶部的方向；

在所述石墨烯冰层上涂布网格分布的金属液并进行冷冻；