一种具有形状记忆功能的纤维状应变传感器及其制备方法和应用与流程

本发明涉及应变传感器领域，具体涉及柔性可穿戴应变传感器领域。

背景技术：

近年来，随着谷歌眼镜、智能手表、手环等为代表的一系列电子设备进入市场，柔性可穿戴电子设备得到了极大重视和快速发展，越来越多的研究工作致力于开发柔性传感器、柔性驱动器、人造电子皮肤等可穿戴的微型电子器件。

传统的应变传感器常用刚性材料制备，伸展性和可穿戴性都较差。最近蓬勃发展的可穿戴电子学器件、交互式仿生机器人等领域要求传感器能够探测大应变(>>5％)，而且与生物体具有兼容性，传统的传感器显然无法满足上述要求。因此，人们正在探索新型的可拉伸的应变传感器。

碳纳米管具有准一维特性和优异的导电性，其宏观聚集体(薄膜)天然的具有可拉伸性能，是制备可拉伸功能器件的理想材料。此外，纤维状结构能够实现三维方向上的柔性，能够适应多种多样的产品外观设计，而且可以像传统化学纤维一样，通过低成本的纺织技术，制成可穿戴性能良好的织物，从而有效满足可穿戴设备和各种便携式电子设备的发展需要。

但常见的应变传感器仅仅具有单一的形状，难以满足多种电子设备功能或者多样化实际应用的需求。在实际应用中，不同的形状常常需要被固定，例如将可穿戴电子器件中固定在身体的不同部位上。因此，发展一种能够满足多种需求，实现用户自定义形状的可穿戴设备就显得尤其重要。

技术实现要素：

发明目的：提供一种具有形状记忆功能的纤维状应变传感器及其制备方法。

技术方案：具有形状记忆功能的纤维状应变传感器以形状记忆聚合物纤维为基底，用机械缠绕的方法包裹取向碳纳米管薄膜作为导电层，再用电化学沉积的方法修饰导电高分子，形成具有网络结构的碳纳米管/导电高分子复合薄膜，最终得到具有形状记忆功能的纤维状应变传感器。

本发明所述的形状记忆纤维状应变传感器的制备方法，具体步骤为：

1.用化学气相沉积法(cvd)制备可纺取向碳纳米管阵列，在可纺取向碳纳米管阵列上拉出取向碳纳米管薄膜；

2.将形状记忆纤维固定在转速一致的两个马达上，配合平移台，将取向碳纳米管薄膜相对于水平方向的纤维以70°-80°角搭在形状记忆纤维上；控制马达的转速和平移台的速度保持匀速，使碳纳米管薄膜均匀缠绕在形状记忆纤维上并保持角度不变，得到cnt包裹的tpu导电纤维；

3.用电化学沉积的方法在导电纤维上修饰导电高分子聚吡咯，形成具有网络结构的碳纳米管/导电高分子复合薄膜，得到纤维状的应变传感器。

本发明所述的可穿戴器件的制备方法为：将得到的纤维状应变传感器固定在聚二甲基硅氧烷(pdms)柔性基底上，两端接铜线涂银胶，干燥后用环氧树脂胶密封，得到可穿戴器件。

本发明所述的取向碳纳米管阵列采用化学气相沉积法制备，具体步骤是：在si/sio2基片上喷镀一层厚度1nm的fe薄膜作为催化剂，采用化学气相沉积法，用乙烯作碳源，以氩气作为载气，在si/sio2基片上合成高度取向的碳纳米管阵列；其中乙烯流量为30-50sccm，氩气流量为100-200sccm，在装备直径1英寸石英管的管式炉中750℃下生长10min。

本发明所述的电化学沉积聚吡咯的方法，具体步骤是：配置含0.02mkcl、0.05m吡咯单体、0.001mhcl的溶液，用包裹cnt的tpu纤维作为工作电极，ag/agcl电极作参比电极，铂电极作对电极，在0.75v恒电压下聚合500-2000s。

有益效果:

1、本发明利用具有形状记忆性能的高分子聚合物纤维制备出形状记忆纤维状应变传感器，由于碳纳米管薄膜以70°-80°角均匀缠绕在形状记忆纤维上形成网络结构，并且聚吡咯层既能作为导电层又能作为保护层，使得碳纳米管/聚吡咯复合薄膜在大应变下仍然能保持结构的完整性，因而传感器能在0-50％的应变范围内，保持较高的灵敏度(0-10％应变以内为10，10-50％应变以内为3-5)，并且具有较低的检测限(0.1％应变)，能保证其作为应变传感器对各类人体运动的检测。

2、此应变传感器还具有形状记忆功能，能够定型成不同的曲率和长度，并且在达到转变温度时能够回到原始的形状，变形前后性能没有发生明显改变。这种具有形状记忆功能的纤维状应变传感器可通过直接贴于皮肤或附着于衣物实现人体关节运动、呼吸、语音识别的检测，并且其独特的形状记忆功能可以与任意形状的可穿戴配件实现紧配合，为可穿戴器件的制备提供了新的思路。

附图说明

图1是可纺取向碳纳米管阵列和碳纳米管薄膜的sem照片，其中图a是可纺取向碳纳米管阵列；图b是取向碳纳米管薄膜；

图2是形状记忆纤维状应变传感器的制备过程示意图；

图3是包裹cnt的tpu纤维电化学沉积聚吡咯不同时间的sem形貌图，其中图a是未沉积前的sem形貌图，图b、c、d分别是沉积500s、1000s、2000s的sem形貌图；

图4是电化学沉积0s、500s、1000s、2000s的形状记忆纤维状应变传感器的相对电阻变化—应变曲线；

图5是测试形状记忆纤维状应变传感器检测限的曲线；

图6是形状记忆纤维状应变传感器应用于人体手指关节弯曲的检测；

图7是形状记忆纤维状应变传感器应用于人体呼吸的检测；

图8是形状记忆纤维状应变传感器达到转变温度变形及恢复的过程图；

图9是将形状记忆纤维状应变传感器编织成织物，通过形状记忆功能与关节处实现紧配合的演示图。

具体实施方式

实施例1：

1.用化学气相沉积法(cvd)制备可纺取向碳纳米管阵列：在si/sio2基片上喷镀一层厚1nm的fe薄膜作为催化剂，采用化学气相沉积法，用乙烯作碳源，以氩气作为载气，在si/sio2基片上合成高度取向的碳纳米管阵列；其中乙烯流量为30sccm，氩气流量为100sccm，在装备直径1英寸石英管的管式炉中750℃下生长10min。

2.将一定直径的tpu纤维固定在相同转速的两个马达上，把一个可纺碳纳米管阵列放在平移台上，然后把碳纳米管薄膜从阵列中拉出，以70°角搭在tpu纤维上。控制马达的转速和平移台的速度匀速，保持角度不变使碳纳米管螺旋缠绕在tpu纤维上，从而得到cnt包裹的tpu导电弹性纤维。

3.在导电纤维表面电化学沉积一层导电高分子聚吡咯：配置含0.02mkcl、0.05m吡咯单体、0.001mhcl的溶液，用包裹cnt的tpu纤维作为工作电极，ag/agcl电极作参比电极，铂电极作对电极，在0.75v恒电压下聚合500s,得到纤维状应变传感器。

实施例2：

1.用化学气相沉积法(cvd)制备可纺取向碳纳米管阵列：在si/sio2基片上喷镀一层厚1nm的fe薄膜作为催化剂，采用化学气相沉积法，用乙烯作碳源，以氩气作为载气，在si/sio2基片上合成高度取向的碳纳米管阵列；其中乙烯流量为50sccm，氩气流量为200sccm，在装备直径1英寸石英管的管式炉中750℃下生长10min。

2.将一定直径的tpu纤维固定在相同转速的两个马达上，把一个可纺碳纳米管阵列放在平移台上，然后把碳纳米管薄膜从阵列中拉出，以75°角搭在tpu纤维上。控制马达的转速和平移台的速度匀速，保持角度不变使碳纳米管螺旋缠绕在tpu纤维上，从而得到cnt包裹的tpu导电弹性纤维。

3.在导电纤维表面电化学沉积一层导电高分子聚吡咯：配置含0.02mkcl、0.05m吡咯单体、0.001mhcl的溶液，用包裹cnt的tpu纤维作为工作电极，ag/agcl电极作参比电极，铂电极作对电极，在0.75v恒电压下聚合1000s,得到纤维状应变传感器。

实施例3：

1.用化学气相沉积法(cvd)制备可纺取向碳纳米管阵列：在si/sio2基片上喷镀一层厚1nm的fe薄膜作为催化剂，采用化学气相沉积法，用乙烯作碳源，以氩气作为载气，在si/sio2基片上合成高度取向的碳纳米管阵列；其中乙烯流量为45sccm，氩气流量为155sccm，在装备直径1英寸石英管的管式炉中750℃下生长10min。

2.将一定直径的tpu纤维固定在相同转速的两个马达上，把一个可纺取向碳纳米管阵列放在平移台上，然后把取向碳纳米管薄膜从阵列中拉出，以80°角搭在tpu纤维上。控制马达的转速和平移台的速度匀速，保持角度不变使碳纳米管螺旋缠绕在tpu纤维上，从而得到cnt包裹的tpu导电弹性纤维。

3.在导电纤维表面电化学沉积一层导电高分子聚吡咯：配置含0.02mkcl、0.05m吡咯单体、0.001mhcl的溶液，用包裹cnt的tpu纤维作为工作电极，ag/agcl电极作参比电极，铂电极作对电极，在0.75v恒电压下聚合2000s,得到纤维状应变传感器。

实施例1-3中可纺取向碳纳米管阵列和取向碳纳米管薄膜的sem照片见附图1。

实施例1-3中形状记忆纤维状应变传感器的制备过程见附图2。

实施列1-3中不同电化学沉积时间的聚吡咯形貌图见附图3。

对实施例1-3中的形状记忆纤维状应变传感器施加应变，测试其相对电阻变化(见附图4)，测试结果表明电化学沉积2000s的纤维得到的效果最好：能在50％的应变范围内，保持较高的灵敏度(0-10％应变以内为10，10-50％应变以内为3-5)。

为了测试形状记忆纤维状应变传感器的低检测限，对实施例3中的形状记忆纤维状应变传感器施加2％-0.1％的递减应变(见附图5)，测试结果表明最低检测限为0.1％应变，有利于检测微小的人体活动。

将实施例3得到的纤维状应变传感器固定在pdms柔性基底上，两端接铜线涂银胶，干燥后用环氧树脂胶密封，可得到可穿戴器件，便于后续人体活动的监测。监测人体手指关节弯曲见附图6，监测人体呼吸见附图7。

该纤维状应变传感器另一项重要特点是形状记忆功能，将纤维加热到转变温度可以定型成想要的形状，再次达到转变温度又能恢复原状，过程见附图8。

此外，将多根纤维编织在一起可以制成可穿戴的织物，该织物能通过形状记忆功能实现与关节处的紧配合(见附图9)，适用于多种非平面结构的物体，为可穿戴器件的制备提供了新的思路。