[发明专利]具有力电双异质特性结构可拉伸电子材料及其制备和应用

说明书

本发明属于高分子功能复合材料领域，涉及一种具有力电双异质结构特性的柔性可拉伸应变传感材料及其制备。本发明提供一种柔性可拉伸电子材料，是在聚合物基纤维膜表面沉积导电材料；聚合物基纤维膜由第一溶液为芯层溶液、第二溶液为鞘层溶液经纺丝法制得，第一溶液为含有聚合物1的溶液，第二溶液为含有聚合物1和聚合物2的溶液，1与聚合物2的质量比为9：1～5：5；聚合物1和聚合物2热力学部分相容，所述聚合物1、聚合物2与所述导电材料的相互作用不同，聚合物2的杨氏模量大于聚合物1的杨氏模量；聚合物1为热塑性弹性体，所述聚合物2为热塑性塑料。所得应变传感材料在宽应变范围内具有电阻随应变线性响应且应变灵敏度可调的特征。

技术领域

本发明属于高分子功能复合材料领域，具体涉及一种具有力学-电学双异质结构(力电双异质)特性的柔性可拉伸应变传感材料及其制备方法，所得应变传感材料在宽应变范围内具有电阻随应变线性响应且应变灵敏度可调的特征。

背景技术介绍

快速发展的柔性电子技术与智慧医疗、远程实时健康管理以及人工智能技术的结合，导致消费市场对可拉伸可穿戴的柔性传感材料与器件的需求与日俱增。其中，电阻型应变传感器因为加工方法简单、材料可选择性强、器件性能灵活可调等优点，在智慧健康、远程医疗、人机交互以及智能机器人等应用情景中具有良好的应用前景。对于前述应用而言，能使用电阻型应变传感器直接简单地监测物体的应变并准确报告结果至关重要，而这要求上述应变传感器具有线性的电阻-应变响应特征。相比于传统的应变传感器，基于高分子复合材料的电阻型可拉伸应变传感器虽然兼具宽泛的可拉伸应变范围和良好的贴肤性，但是其电阻常常随应变呈现非线性响应特征，这不便于实际应用过程中信号的采集与校正。因此，发展与服务对象具有良好共形性和贴合性，且电阻随应变线性响应型柔性可拉伸应变传感器，对推动柔性电子技术与物联网与人工智能技术的融合发展十分重要。

目前市场上在售的线性响应型应变传感器主要有两类，即压电传感器和金属箔应变片。虽然它们均具有电信号随应变线性响应的特性，但是其应变监测范围均十分窄(10％)，难以满足医疗健康领域的大应变(～50％)应用需求。此外，前者制备成本高且与皮肤的贴合性不理想，严重限制了其实际应用。而后者应变范围十分有限且灵敏度极低(应变敏感系数约为1～2)，因此目前它们在很多柔性电子应用中十分受限。尽管电阻型聚合物复合材料基应变传感材料具有结构简便且可规模化加工的特点、形状可按需灵活设计的优势、应变范围和灵敏度均易于调节的特点，但是其电信号线性度和稳定性往往存在很大不足。

目前，绝大部分的研究工作均尝试对基体材料的表面微结构进行理想化的设计或者使用不同的电阻进行交替连续组装形成高低电阻组合式导电网络来促使电信号响应与应变同步。但是，上述方法所制备的应变传感材料只能在极小的应变范围内实现高的电信号线性度，而且此类电子材料的制备方法几乎不具备规模化加工能力，而且材料在微观尺度上的结构可控性较差。因此，其电阻-应变信号响应的稳定性与可重复性较差，离实际应用依然具有很长一段距离；这是电阻型可拉伸应变传感器领域所面临的重大技术挑战之一。

发明内容

针对现有技术存在的不足与局限性，本发明提供一种同时具有模量与导电性能双异质特性的微/纳结构化柔性可拉伸电子纤维膜材料及其制备方法，所制得的柔性可拉伸电子材料具有优异的无机-有机界面稳定性，在很宽的应变范围内具有良好且稳定的线性电阻-机械应变响应特性；因此能用来制备与服务对象具有良好共形性和贴合性，电阻随应变线性响应型的柔性可拉伸应变传感器。

本发明的技术方案：

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种柔性可拉伸电子材料，所述柔性可拉伸电子材料是在聚合物基纤维膜表面沉积导电材料；

所述聚合物基纤维膜由第一溶液为芯层溶液、第二溶液为鞘层溶液通过纺丝法制得，所述第一溶液为含有聚合物1的溶液，所述第二溶液为含有聚合物1和聚合物2的溶液，所述第二溶液中聚合物1与聚合物2的质量比为9：1～5：5；