本发明涉及电子皮肤领域，具体涉及复合纤维的制备，尤其是涉及一种用于机器人电子皮肤的纤维复合材料及制备方法。
背景技术：
电子皮肤是一种可以模拟皮肤机械性能和感知能力的可穿戴电子设备。触觉是人与外界环境直接接触时的重要感觉功能，柔性触觉传感器是实现电子皮肤技术的关键技术，其目的是模拟人类的感知能力，拥有卓越的发展前景。目前，随着微电子技术的发展和各种有机材料的出现，已经提出了多种多样的柔性触觉传感器的研制方案，但目前大都属于实验室阶段，达到产品化的不多。因此低电子皮肤柔性传感器的研究和应用广受重视。
现有的一些产品化的柔性触觉传感器所采用的材料虽然可以承受高应力，但灵敏度低，检测能力受限，无法很好地应用于实际生活中，如采用柔性触觉传感器监测人体信号、检查呼吸疾病等。因此，利用新型微结构的电子材料以实现高性能的触觉传感器是目前非常有意义，以及亟待解决的课题。液态金属具有导电性好、导热性好等优点，在柔性传感器乃至电子皮肤领域的应用越来越多。
专利申请号201710924015.0公开了一种可拉伸柔性功能导体。该可拉伸柔性功能导体，包括中空弹性纤维和液态金属；中空弹性纤维为弹性纤维，作为导体外壳，内部为中空的圆形流道；液态金属作为导体的导电媒介，灌封在中空弹性纤维的圆形流道内，成分为液态金属镓，及其共熔铟、锡的液态合金。
专利申请号201610834508.0公开了一种液态金属/二氧化钛纳米连续纤维的制备方法，包括以下步骤：将高分子量的pvp溶于去离子水中，搅拌均匀，滴加钛的前驱体溶液，充分搅拌，形成静电纺丝液；将静电纺丝液置于注射器中，施加高压，利用锡箔纸接收得到二氧化钛纳米纤维；将液态金属粉末熔融形成液态金属溶液，将二氧化钛纳米纤维转移到液态金属溶液中，高温烧结，取出，静置，得到液态金属/二氧化钛纳米连续纤维。
专利申请号201711039460.5公开了一种刚度可控的液态金属复合纤维材料，包括液态金属，液态金属中分布有磁性颗粒和纤维，在无磁场施加时，材料保持液态，具有良好流动性；在施加外部磁场时，磁性颗粒沿磁感线方向有序排布，纤维在磁性颗粒有序排布的约束下沿特定方向排布，使得受到外力作用时可以作为支架起到维持结构稳定的作用；当撤去外加磁场时，磁性颗粒重新散乱分布，纤维回到无约束状态，材料重新回到柔性状态。此发明通过模拟自然界中叶片的结构，在混有磁性颗粒的液态金属中添加纤维，通过磁场调控纤维的分布来实现材料的刚度调控，响应快速，控制精确，操作便捷，可以应用在柔性机器人及外骨骼等多种领域。
专利申请号201620900658.2公开了一种电子皮肤，其包括粘性胶膜、柔性衬底、液态金属电路、传感器及电子控制芯片；粘性胶膜贴敷在所述柔性衬底的下表面，液态金属电路设于所述柔性衬底的上表面，传感器及电子控制芯片与所述液态金属电路电性连接。相比于传统的电子皮肤，设置液态金属电路的柔性电子皮肤具有更高的柔韧性和灵敏度，而且制作工艺更为简单，成本低、功耗低、携带方便，具有更加便捷的使用体验。
由此可见，现有技术中用于电子皮肤的柔性传感器灵敏度较低，而采用液态金属在提高灵敏度的同时，因纯液态金属的力学性质不佳，用于电子皮肤的复合材料拉伸性能不强，因此，目前普遍使用的电子皮肤材料拉伸性能和导电性不强成为制约电子皮肤发展的重要问题。
技术实现要素：
为有效解决上述技术问题，本发明提出了一种用于机器人电子皮肤的纤维复合材料及制备方法，可有效提高电子皮肤复合材料的拉伸性能和导电性能。
本发明的具体技术方案如下：
一种用于机器人电子皮肤的纤维复合材料的制备方法，所述纤维复合材料是由均苯四甲酸二酐与4,4’-二苯醚二胺合成聚酰胺酸溶液，经纺丝得到中空聚酰亚胺纤维，再在锡镓液态金属中反复浸入静置并取出，最后置于室温环境中进行固化而制得，具体的制备步骤为：
a、将均苯四甲酸二酐与4,4’-二苯醚二胺加入n-甲基吡咯烷酮中，通过缩聚反应得到聚酰胺酸溶液，经湿法纺丝及热拉伸，制得中空聚酰亚胺纤维；
b、将步骤a制得的中空聚酰亚胺纤维冲洗干净，缓慢浸入锡镓液态金属中，在70-80℃静置一定时间后取出，并重复浸入及取出，使锡镓液态金属填充满中空聚酰亚胺纤维；
c、将填充满锡镓液态金属的中空聚酰亚胺纤维置于室温环境中，使锡镓液态金属全部固化，制得用于电子皮肤的纤维复合材料。
优选的，所述步骤a中，均苯四甲酸二酐10~15重量份、4,4’-二苯醚二胺15~20重量份、n-甲基吡咯烷酮65~75重量份。
优选的，所述步骤a中，缩聚反应的温度为5~10℃，时间为3~5h。
优选的，所述步骤a中，热拉伸的温度为280~300℃，拉伸倍数为2~3倍。
优选的，步骤b中所述锡镓液态金属中，锡30~60重量份、镓40~70重量份。
优选的，所述步骤b中，静置的时间为20~30min。
优选的，所述步骤b中，浸入及取出的重复次数为3~5次。
优选的，所述步骤c中，低温环境的温度为10~40℃。
本发明上述内容还提出一种用于机器人电子皮肤的纤维复合材料，由以下步骤制得：a、将均苯四甲酸二酐与4,4’-二苯醚二胺加入n-甲基吡咯烷酮中，缩聚反应后湿法纺丝及热拉伸，制得中空聚酰亚胺纤维；b、将中空聚酰亚胺纤维浸入锡镓液态金属中，重复浸入及取出，使锡镓液态金属填充满中空聚酰亚胺纤维；c、置于室温环境中使锡镓液态金属固化即可制得。
本发明的有益效果为：
1.提出了锡镓液态金属填充中空纤维制备用于机器人电子皮肤的纤维复合材料的方法。
2.本发明采用中空结构的纤维材料并且填充液态金属，利用锡镓液态金属优异的导电性，并且固态时有着良好的拉伸性，制备得到的纤维复合材料具有高的拉伸性和高导电性。
3.本发明制备得到的纤维复合材料在柔性可穿戴设备、柔性电子皮肤、智能机器人等领域具有广阔的应用前景。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
a、将均苯四甲酸二酐与4,4’-二苯醚二胺加入n-甲基吡咯烷酮中，通过缩聚反应得到聚酰胺酸溶液，缩聚反应的温度为8℃，时间为4h，经湿法纺丝及热拉伸，热拉伸的温度为290℃，拉伸倍数为2倍；制得中空聚酰亚胺纤维；其中，均苯四甲酸二酐12重量份、4,4’-二苯醚二胺18重量份、n-甲基吡咯烷酮70重量份；
b、将步骤a制得的中空聚酰亚胺纤维冲洗干净，缓慢浸入锡镓液态金属中，锡镓液态金属中，锡45重量份、镓55重量份；在70℃静置25min后取出，并重复浸入及取出，重复次数为4次；使锡镓液态金属填充满中空聚酰亚胺纤维；
c、将填充满锡镓液态金属的中空聚酰亚胺纤维置于25℃的室温环境中，使锡镓液态金属全部固化，制得用于电子皮肤的纤维复合材料。
实施例2
a、将均苯四甲酸二酐与4,4’-二苯醚二胺加入n-甲基吡咯烷酮中，通过缩聚反应得到聚酰胺酸溶液，缩聚反应的温度为8℃，时间为3.5h，经湿法纺丝及热拉伸，热拉伸的温度为295℃，拉伸倍数为3倍；制得中空聚酰亚胺纤维；其中，均苯四甲酸二酐14重量份、4,4’-二苯醚二胺19重量份、n-甲基吡咯烷酮67重量份；
b、将步骤a制得的中空聚酰亚胺纤维冲洗干净，缓慢浸入锡镓液态金属中，锡镓液态金属中，锡50重量份、镓50重量份；在80℃静置27min后取出，并重复浸入及取出，重复次数为5次；使锡镓液态金属填充满中空聚酰亚胺纤维；
c、将填充满锡镓液态金属的中空聚酰亚胺纤维置于30℃的室温环境中，使锡镓液态金属全部固化，制得用于电子皮肤的纤维复合材料。
实施例3
a、将均苯四甲酸二酐与4,4’-二苯醚二胺加入n-甲基吡咯烷酮中，通过缩聚反应得到聚酰胺酸溶液，缩聚反应的温度为10℃，时间为3h，经湿法纺丝及热拉伸，热拉伸的温度为300℃，拉伸倍数为3倍；制得中空聚酰亚胺纤维；其中，均苯四甲酸二酐15重量份、4,4’-二苯醚二胺20重量份、n-甲基吡咯烷酮65重量份；
b、将步骤a制得的中空聚酰亚胺纤维冲洗干净，缓慢浸入锡镓液态金属中，锡镓液态金属中，锡60重量份、镓40重量份；在80℃静置30min后取出，并重复浸入及取出，重复次数为5次；使锡镓液态金属填充满中空聚酰亚胺纤维；
c、将填充满锡镓液态金属的中空聚酰亚胺纤维置于40℃的室温环境中，使锡镓液态金属全部固化，制得用于电子皮肤的纤维复合材料。
实施例4
a、将均苯四甲酸二酐与4,4’-二苯醚二胺加入n-甲基吡咯烷酮中，通过缩聚反应得到聚酰胺酸溶液，缩聚反应的温度为6℃，时间为4.5h，经湿法纺丝及热拉伸，热拉伸的温度为285℃，拉伸倍数为2倍；制得中空聚酰亚胺纤维；其中，均苯四甲酸二酐12重量份、4,4’-二苯醚二胺16重量份、n-甲基吡咯烷酮72重量份；
b、将步骤a制得的中空聚酰亚胺纤维冲洗干净，缓慢浸入锡镓液态金属中，锡镓液态金属中，锡40重量份、镓60重量份；在80℃静置22min后取出，并重复浸入及取出，重复次数为3次；使锡镓液态金属填充满中空聚酰亚胺纤维；
c、将填充满锡镓液态金属的中空聚酰亚胺纤维置于20℃的室温环境中，使锡镓液态金属全部固化，制得用于电子皮肤的纤维复合材料。
实施例5
a、将均苯四甲酸二酐与4,4’-二苯醚二胺加入n-甲基吡咯烷酮中，通过缩聚反应得到聚酰胺酸溶液，缩聚反应的温度为5℃，时间为5h，经湿法纺丝及热拉伸，热拉伸的温度为280℃，拉伸倍数为2倍；制得中空聚酰亚胺纤维；其中，均苯四甲酸二酐10重量份、4,4’-二苯醚二胺15重量份、n-甲基吡咯烷酮75重量份；
b、将步骤a制得的中空聚酰亚胺纤维冲洗干净，缓慢浸入锡镓液态金属中，锡镓液态金属中，锡30重量份、镓70重量份；在80℃静置20min后取出，并重复浸入及取出，重复次数为3次；使锡镓液态金属填充满中空聚酰亚胺纤维；
c、将填充满锡镓液态金属的中空聚酰亚胺纤维置于10℃的室温环境中，使锡镓液态金属全部固化，制得用于电子皮肤的纤维复合材料。
上述实施例1~5制得的纤维复合材料，测试其拉伸强度、电导率，测试表征的方法或条件如下：
拉伸强度：参照gb/t1040.2-2002标准进行测试，将本发明制得的纤维复合材料制成标准样条，采用cnt4204型微机控制电子万能材料试验机测试样品的拉伸强度，试验速度为5mm/min。
电导率：将本发明制得的纤维复合材料制成任意样品，采用衡欣az8303电导率测试仪测试样品的电导率。
结果如表1所示。
表1：