本发明涉及电子皮肤领域，特别是涉及一种用于智能控制的可伸缩性电子皮肤及制备方法。
背景技术：
：人体皮肤是活跃、敏感和高弹性的感觉器官，承担着保护身体、排汗、温度调节、感知冷热和压力等功能。人体躯体感觉系统能够通过皮肤中的触觉、温度、痛觉等感受器，将外界环境刺激转化为电脉冲信号，经过神经通路传导至神经中枢，从而使皮肤获得触觉、痛觉等感觉功能。基于皮肤这种多功能生物模型，科学家们开展了一门新兴学科研究——触感电子学（俗称“电子皮肤”，electronicskin,e-skin），用来模仿皮肤的感觉功能如触觉、温度感知等功能。目前，电子皮肤在柔性或弹性基底上制作具备探测压力、温度或其他刺激的传感器及阵列，可感知周围环境中的各种物理、化学、生物等信号，将有助于开发新型人机接口、智能机器人、仿生假肢等智能化系统。此外，电子皮肤的重要发展趋势是多功能化与多重刺激同步监测。实现温度、湿度、紫外光、磁、应变、压力和接近等多种外界刺激的实时同步监测。特别是随着智能控制的发展，电子皮肤就是一种新型可穿戴柔性仿生触觉传感器，它能够实现仿人类触觉感知功能的人造柔性电子器件。中国发明专利申请号201711133399.0公开了一种柔性电子皮肤传感器及其制备方法，其中，柔性电子皮肤传感器包括若干压力传感单元；压力传感单元由两片柔性且可伸缩的超薄pdms膜、分别贴附于两片超薄pdms膜之间的两片电极，以及设置于两片电极之间的复合压力传感膜组成；复合压力传感膜由若干聚苯胺中空纳米球和用于连接相邻聚苯胺中空纳米球的多壁碳纳米管组成；各压力传感单元利用等离子体处理机，并采用电极像素处理以形成呈设定面积的传感器阵列。中国发明专利申请号201711184092.3公开了一种高灵敏度电子皮肤，具有聚乙烯醇-银纳米线/石墨烯-pdms三明治结构，通过喷涂的方式在pet基材表面形成一层相互交叠堆积的银纳米线导电网络，之后再在银纳米线网络上均匀喷涂分散一层由大片石墨烯和小片石墨烯混合的石墨烯，这些石墨烯沉积在银纳米线网络之间或联通相邻的银纳米线，进一步增强导电网络的导电性能，之后，使用旋涂的方式在上述导电网络表面旋涂一层聚乙烯醇溶液作为电子皮肤的基体，最后，待聚乙烯醇干燥后，将复合膜从pet薄膜上分离开，将该复合膜转移到烘箱中，翻转表面，在与pet接触的一面蒸镀一层pdms薄膜，这样就可以得到一种三明治结构的电子皮肤。中国发明专利申请号201520966018.7公开了了一种用于测量接触压力的柔性电子皮肤，该柔性电子皮肤包括上电极层、中间传感层以及下电极层，其中，所电极层包括柔性上电极以及多个触点，每一个触点设置在所述柔性上电极的上表面，所述中间传感层包括上金属膜、多孔pdms膜、设置在pdms膜上的多个压力传感单元以及下金属膜。中国发明专利申请号201711166759.7公开了于机器人
技术领域：
，提供了一种机器人电子皮肤，包括由内往外设置在机器人外壳上的第一复合层结构和第二复合层结构，其中，所述第一复合层结构包括依次层叠设置在所述机器人外壳上的背胶层、第一支撑层、第一导电银胶层，所述第二复合层结构包括在朝向第一复合层结构方向依次设置的第二导电银胶层、第二支撑层；且所述第一复合层结构和所述第二复合层结构之间设置有若干个用于将所述第一导电银胶层和所述第二导电银胶层分离的第一绝缘突起。根据上述，现有方案中电子皮肤用于智能控制和可穿戴控制，存在灵敏度较低，且反应慢，伸缩性差，使得在智能控制实现人机智能交互的性能存在缺陷。技术实现要素：针对目前应用较广的电子皮肤用于智能控制、可穿戴产品时，存在伸缩性差，反应灵敏度低的缺陷，本发明提出一种用于智能控制的可伸缩性电子皮肤及制备方法，从而有效提升了电子皮肤的灵敏度和可伸缩性，具有极好的应用前景。本发明涉及的具体技术方案如下：一种用于智能控制的可伸缩性电子皮肤的制备方法，包括以下步骤：（1）将压电陶瓷微细化制粉，加入粘结剂、塑化剂、水，制浆，然后喷丝，烧制，制得压电陶瓷纤维；（2）将石墨烯分散在丙烯酸酯橡胶中，捏炼，然后压延为橡胶薄层；（3）将步骤（2）制得的橡胶薄层贴合在步骤（1）制得的压电陶瓷纤维两侧，进行定型压制，使压电陶瓷纤维镶嵌在橡胶薄层间，制得电子皮肤敏感层；（4）将导线植入步骤（3）制得的电子皮肤敏感层的两面，然后将植入有导线的电子皮肤敏感层的一面与柔性基材薄膜贴合，另一面与硫化弹性橡胶膜贴合，制得可伸缩性电子皮肤。优选的，步骤（1）所述粘结剂为有机硅粘结剂、环氧树脂粘结剂、聚氨酯粘结剂中的一种。优选的，步骤（1）所述塑化剂为邻苯二甲酸二正辛酯、邻苯二甲酸丁苄酯、邻苯二甲酸二仲辛酯、邻苯二甲酸二环己酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二甲酯中的至少一种。优选的，步骤（1）所述压电陶瓷纤维中，压电陶瓷粉30~50重量份、粘结剂1~2重量份、塑化剂1~2重量份、水46~68重量份。优选的，步骤（1）所述烧制的温度为800~1000℃，时间为3~4h。优选的，步骤（2）所述橡胶薄层中，石墨烯5~20重量份、丙烯酸酯橡胶80~95重量份。优选的，步骤（2）所述橡胶薄层的厚度为0.6~1.2mm。优选的，步骤（3）所述电子皮肤敏感层的厚度为0.3~0.5mm。优选的，步骤（4）所述柔性基材薄膜为聚二甲基硅氧烷薄膜、聚氯乙烯薄膜、聚偏二氯乙烯薄膜中的一种。本发明还提供一种上述制备方法制备得到的用于智能控制的可伸缩性电子皮肤。本发明提供了一种用于智能控制的可伸缩性电子皮肤及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：1、提出将压电陶瓷纤维化植入分散有石墨烯的丙烯酸酯橡胶层制备用于智能控制的可伸缩性电子皮肤的方法。2、通过将压电陶瓷纤维化植入分散有石墨烯的丙烯酸酯橡胶层，其在极微小的压力下，纤维即可发生形变，产生微电流，并经石墨烯和导电收集，具有极强的灵敏度，响应时间短，易于智能控制。3、本发明的制备的电子皮肤，超薄、质轻，柔性接近人体皮肤，伸缩性好，是智能控制可穿戴器件最理想的电子皮肤。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制备过程为：（1）将压电陶瓷微细化制粉，加入粘结剂、塑化剂、水，制浆，然后喷丝，烧制，制得压电陶瓷纤维；粘结剂为有机硅粘结剂；塑化剂为邻苯二甲酸二正辛酯；压电陶瓷纤维中，压电陶瓷粉41重量份、粘结剂1重量份、塑化剂2重量份、水56重量份；烧制的温度为920℃，时间为3.5h；（2）将石墨烯分散在丙烯酸酯橡胶中，捏炼，然后压延为橡胶薄层；橡胶薄层中，石墨烯12重量份、丙烯酸酯橡胶88重量份；橡胶薄层的厚度为0.9mm；（3）将步骤（2）制得的橡胶薄层贴合在步骤（1）制得的压电陶瓷纤维两侧，进行定型压制，使压电陶瓷纤维镶嵌在橡胶薄层间，制得电子皮肤敏感层；电子皮肤敏感层的厚度为0.5mm；（4）将导线植入步骤（3）制得的电子皮肤敏感层的两面，然后将植入有导线的电子皮肤敏感层的一面与柔性基材薄膜贴合，另一面与硫化弹性橡胶膜贴合，制得可伸缩性电子皮肤；柔性基材薄膜为聚二甲基硅氧烷薄膜。测试方法为：将实施例1制得的电子皮肤制成100mm×100mm的样品，在温度为25℃，相对湿度为55%，标准大气压，采用电容mems测试仪进行测试，压力范围为1~100pa，根据公式s=δ（△c/c0）/δp计算灵敏度，△c=c-c0，其中，c0为基准压力下的电容值，p为施加压力，c为施加压力后的电容值，计算平均灵敏度。将实施例1制得的电子皮肤制成100mm×10mm的样品，在温度为25℃，相对湿度为55%，标准大气压，采用拉力机首先测定材料的拉伸强度，然后进行伸缩性能试验，在小于拉伸强度的情况下，以100mm/min的速度进行实验，测试可恢复原尺寸的最大伸长率，以及恢复时间。通过上述方法测得的实施例1的电子皮肤的灵敏度及伸缩性如表1所示。实施例2制备过程为：（1）将压电陶瓷微细化制粉，加入粘结剂、塑化剂、水，制浆，然后喷丝，烧制，制得压电陶瓷纤维；粘结剂为环氧树脂粘结剂；塑化剂为邻苯二甲酸丁苄酯；压电陶瓷纤维中，压电陶瓷粉30重量份、粘结剂1重量份、塑化剂1重量份、水68重量份；烧制的温度为800℃，时间为4h；（2）将石墨烯分散在丙烯酸酯橡胶中，捏炼，然后压延为橡胶薄层；橡胶薄层中，石墨烯5重量份、丙烯酸酯橡胶95重量份；橡胶薄层的厚度为0.6mm；（3）将步骤（2）制得的橡胶薄层贴合在步骤（1）制得的压电陶瓷纤维两侧，进行定型压制，使压电陶瓷纤维镶嵌在橡胶薄层间，制得电子皮肤敏感层；电子皮肤敏感层的厚度为0.3mm；（4）将导线植入步骤（3）制得的电子皮肤敏感层的两面，然后将植入有导线的电子皮肤敏感层的一面与柔性基材薄膜贴合，另一面与硫化弹性橡胶膜贴合，制得可伸缩性电子皮肤；柔性基材薄膜为聚氯乙烯薄膜。测试方法为：将实施例2制得的电子皮肤制成100mm×100mm的样品，在温度为25℃，相对湿度为55%，标准大气压，采用电容mems测试仪进行测试，压力范围为1~100pa，根据公式s=δ（△c/c0）/δp计算灵敏度，△c=c-c0，其中，c0为基准压力下的电容值，p为施加压力，c为施加压力后的电容值，计算平均灵敏度。将实施例2制得的电子皮肤制成100mm×10mm的样品，在温度为25℃，相对湿度为55%，标准大气压，采用拉力机首先测定材料的拉伸强度，然后进行伸缩性能试验，在小于拉伸强度的情况下，以100mm/min的速度进行实验，测试可恢复原尺寸的最大伸长率，以及恢复时间。通过上述方法测得的实施例2的电子皮肤的灵敏度及伸缩性如表1所示。实施例3制备过程为：（1）将压电陶瓷微细化制粉，加入粘结剂、塑化剂、水，制浆，然后喷丝，烧制，制得压电陶瓷纤维；粘结剂为聚氨酯粘结剂；塑化剂为邻苯二甲酸二仲辛酯；压电陶瓷纤维中，压电陶瓷粉50重量份、粘结剂2重量份、塑化剂2重量份、水46重量份；烧制的温度为1000℃，时间为3h；（2）将石墨烯分散在丙烯酸酯橡胶中，捏炼，然后压延为橡胶薄层；橡胶薄层中，石墨烯20重量份、丙烯酸酯橡胶80重量份；橡胶薄层的厚度为1.2mm；（3）将步骤（2）制得的橡胶薄层贴合在步骤（1）制得的压电陶瓷纤维两侧，进行定型压制，使压电陶瓷纤维镶嵌在橡胶薄层间，制得电子皮肤敏感层；电子皮肤敏感层的厚度为0.5mm；（4）将导线植入步骤（3）制得的电子皮肤敏感层的两面，然后将植入有导线的电子皮肤敏感层的一面与柔性基材薄膜贴合，另一面与硫化弹性橡胶膜贴合，制得可伸缩性电子皮肤；柔性基材薄膜为聚偏二氯乙烯薄膜。测试方法为：将实施例3制得的电子皮肤制成100mm×100mm的样品，在温度为25℃，相对湿度为55%，标准大气压，采用电容mems测试仪进行测试，压力范围为1~100pa，根据公式s=δ（△c/c0）/δp计算灵敏度，△c=c-c0，其中，c0为基准压力下的电容值，p为施加压力，c为施加压力后的电容值，计算平均灵敏度。将实施例4制得的电子皮肤制成100mm×10mm的样品，在温度为25℃，相对湿度为55%，标准大气压，采用拉力机首先测定材料的拉伸强度，然后进行伸缩性能试验，在小于拉伸强度的情况下，以100mm/min的速度进行实验，测试可恢复原尺寸的最大伸长率，以及恢复时间。通过上述方法测得的实施例3的电子皮肤的灵敏度及伸缩性如表1所示。实施例4制备过程为：（1）将压电陶瓷微细化制粉，加入粘结剂、塑化剂、水，制浆，然后喷丝，烧制，制得压电陶瓷纤维；粘结剂为有机硅粘结剂；塑化剂为邻苯二甲酸二环己酯；压电陶瓷纤维中，压电陶瓷粉33重量份、粘结剂1重量份、塑化剂1重量份、水65重量份；烧制的温度为850℃，时间为4h；（2）将石墨烯分散在丙烯酸酯橡胶中，捏炼，然后压延为橡胶薄层；橡胶薄层中，石墨烯10重量份、丙烯酸酯橡胶90重量份；橡胶薄层的厚度为0.8mm；（3）将步骤（2）制得的橡胶薄层贴合在步骤（1）制得的压电陶瓷纤维两侧，进行定型压制，使压电陶瓷纤维镶嵌在橡胶薄层间，制得电子皮肤敏感层；电子皮肤敏感层的厚度为0.3mm；（4）将导线植入步骤（3）制得的电子皮肤敏感层的两面，然后将植入有导线的电子皮肤敏感层的一面与柔性基材薄膜贴合，另一面与硫化弹性橡胶膜贴合，制得可伸缩性电子皮肤；柔性基材薄膜为聚二甲基硅氧烷薄膜。测试方法为：将实施例4制得的电子皮肤制成100mm×100mm的样品，在温度为25℃，相对湿度为55%，标准大气压，采用电容mems测试仪进行测试，压力范围为1~100pa，根据公式s=δ（△c/c0）/δp计算灵敏度，△c=c-c0，其中，c0为基准压力下的电容值，p为施加压力，c为施加压力后的电容值，计算平均灵敏度。将实施例4制得的电子皮肤制成100mm×10mm的样品，在温度为25℃，相对湿度为55%，标准大气压，采用拉力机首先测定材料的拉伸强度，然后进行伸缩性能试验，在小于拉伸强度的情况下，以100mm/min的速度进行实验，测试可恢复原尺寸的最大伸长率，以及恢复时间。通过上述方法测得的实施例4的电子皮肤的灵敏度及伸缩性如表1所示。实施例5制备过程为：（1）将压电陶瓷微细化制粉，加入粘结剂、塑化剂、水，制浆，然后喷丝，烧制，制得压电陶瓷纤维；粘结剂为环氧树脂粘结剂；塑化剂为邻苯二甲酸二丁酯；压电陶瓷纤维中，压电陶瓷粉45重量份、粘结剂2重量份、塑化剂2重量份、水51重量份；烧制的温度为950℃，时间为3h；（2）将石墨烯分散在丙烯酸酯橡胶中，捏炼，然后压延为橡胶薄层；橡胶薄层中，石墨烯15重量份、丙烯酸酯橡胶85重量份；橡胶薄层的厚度为1.1mm；（3）将步骤（2）制得的橡胶薄层贴合在步骤（1）制得的压电陶瓷纤维两侧，进行定型压制，使压电陶瓷纤维镶嵌在橡胶薄层间，制得电子皮肤敏感层；电子皮肤敏感层的厚度为0.5mm；（4）将导线植入步骤（3）制得的电子皮肤敏感层的两面，然后将植入有导线的电子皮肤敏感层的一面与柔性基材薄膜贴合，另一面与硫化弹性橡胶膜贴合，制得可伸缩性电子皮肤；柔性基材薄膜为聚氯乙烯薄膜。测试方法为：将实施例5制得的电子皮肤制成100mm×100mm的样品，在温度为25℃，相对湿度为55%，标准大气压，采用电容mems测试仪进行测试，压力范围为1~100pa，根据公式s=δ（△c/c0）/δp计算灵敏度，△c=c-c0，其中，c0为基准压力下的电容值，p为施加压力，c为施加压力后的电容值，计算平均灵敏度。将实施例5制得的电子皮肤制成100mm×10mm的样品，在温度为25℃，相对湿度为55%，标准大气压，采用拉力机首先测定材料的拉伸强度，然后进行伸缩性能试验，在小于拉伸强度的情况下，以100mm/min的速度进行实验，测试可恢复原尺寸的最大伸长率，以及恢复时间。通过上述方法测得的实施例5的电子皮肤的灵敏度及伸缩性如表1所示。实施例6制备过程为：（1）将压电陶瓷微细化制粉，加入粘结剂、塑化剂、水，制浆，然后喷丝，烧制，制得压电陶瓷纤维；粘结剂为聚氨酯粘结剂；塑化剂为邻苯二甲酸二甲酯；压电陶瓷纤维中，压电陶瓷粉40重量份、粘结剂1重量份、塑化剂2重量份、57重量份；烧制的温度为900℃，时间为3.5h；（2）将石墨烯分散在丙烯酸酯橡胶中，捏炼，然后压延为橡胶薄层；橡胶薄层中，石墨烯12重量份、丙烯酸酯橡胶88重量份；橡胶薄层的厚度为0.9mm；（3）将步骤（2）制得的橡胶薄层贴合在步骤（1）制得的压电陶瓷纤维两侧，进行定型压制，使压电陶瓷纤维镶嵌在橡胶薄层间，制得电子皮肤敏感层；电子皮肤敏感层的厚度为0.4mm；（4）将导线植入步骤（3）制得的电子皮肤敏感层的两面，然后将植入有导线的电子皮肤敏感层的一面与柔性基材薄膜贴合，另一面与硫化弹性橡胶膜贴合，制得可伸缩性电子皮肤；柔性基材薄膜为聚偏二氯乙烯薄膜。测试方法为：将实施例6制得的电子皮肤制成100mm×100mm的样品，在温度为25℃，相对湿度为55%，标准大气压，采用电容mems测试仪进行测试，压力范围为1~100pa，根据公式s=δ（△c/c0）/δp计算灵敏度，△c=c-c0，其中，c0为基准压力下的电容值，p为施加压力，c为施加压力后的电容值，计算平均灵敏度。将实施例6制得的电子皮肤制成100mm×10mm的样品，在温度为25℃，相对湿度为55%，标准大气压，采用拉力机首先测定材料的拉伸强度，然后进行伸缩性能试验，在小于拉伸强度的情况下，以100mm/min的速度进行实验，测试可恢复原尺寸的最大伸长率，以及恢复时间。通过上述方法测得的实施例6的电子皮肤的灵敏度及伸缩性如表1所示。对比例1对比例1的电子皮肤制备中，未预制压电陶瓷纤维,而是将压电陶瓷粉分散在橡胶中，其他与实施例6一致，制得的电子皮肤的灵敏度及伸缩性如表1所示。测试方法为：将对比例1制得的电子皮肤制成100mm×100mm的样品，在温度为25℃，相对湿度为55%，标准大气压，采用电容mems测试仪进行测试，压力范围为1~100pa，根据公式s=δ（△c/c0）/δp计算灵敏度，△c=c-c0，其中，c0为基准压力下的电容值，p为施加压力，c为施加压力后的电容值，计算平均灵敏度。将对比例1制得的电子皮肤制成100mm×10mm的样品，在温度为25℃，相对湿度为55%，标准大气压，采用拉力机首先测定材料的拉伸强度，然后进行伸缩性能试验，在小于拉伸强度的情况下，以100mm/min的速度进行实验，测试可恢复原尺寸的最大伸长率，以及恢复时间。对比例1的电子皮肤制备中，橡胶薄层中未添加石墨烯，其他与实施例6一致，制得的电子皮肤的灵敏度及伸缩性如表1所示。表1：性能指标实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5实施例6对比例1灵敏度（kpa-1）12.212.612.611.812.312.45.4可恢复伸长率（%）145.3141.5142.3142.5143.2142.2109.8恢复时间（s）3.22.82.72.93.32.934当前第1页12