一种大应变高线性度电阻式应变传感器及其制备方法

1.本发明涉及一种大应变高线性度电阻式应变传感器及其制备方法，属于柔性电子和柔性传感技术领域。


背景技术：

2.柔性电子技术因其独特的柔性和延展性在信息、能源、医疗和国防领域都有着广泛的应用前景。在电子设备的使用过程中，传感器作为信息感知和收集的工具，需要适应多种复杂的工况条件，柔性传感器拥有良好的柔韧性和变形能力，能够胜任接触式测量、运动传感器和展开式天线等领域。
3.传统的应变传感器，主要以金属应变片为主，这种传感器通常用于微小变形环境下的测量，传感器的监测范围通常在5％应变以下。随着大幅度运动监测、大型折展机构、仿生软体机器人等技术的应用，需要一种能满足大变形条件测量的柔性传感器。
4.目前公开的柔性应变传感器，主要分为金属基和碳基两种。金属基柔性应变传感器，又可以按照使用的金属材料，分为金属微小颗粒和液态金属两种类型。所述金属作为导电功能材料的柔性应变传感器，由于使用较为昂贵的液态金属或者贵金属作为功能材料，同时采用的微流道光刻、蒸镀等技术，所以难以控制成本。碳基柔性应变传感器多采用pdms和ecoflex等材料作为衬底。所述衬底在制备中存在碳材料分散困难，需要借助一些有毒、易燃或有害环境的有机溶剂。现有的已发表专利中的可拉伸柔性应变传感器，通常不能满足超过100％应变的大变形监测，能满足大变形要求的传感器电阻变化和应变呈现非线性关系，不方便数据的进一步处理和使用。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有应变传感器适用性不广泛的问题，提供一种大应变高线性度电阻式应变传感器及其制备方法；该传感器具有能满足大变形测量需求、电阻变化同应变呈现高线性度、循环使用能保持高稳定性同时制备原材料成本较低的特点。
6.本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
7.一种大应变高线性度电阻式应变传感器，包括可发生大变形且具有导电性的复合材料，以及包裹所述复合材料的能承受大变形且具有高回弹性能的外套。所述复合材料和外套组合成应变传感器后，在受到拉伸应变时，由于芯部的复合材料截面大小和整体长度发生变化，导致其电阻率发生改变，由于该复合材料不同于金属或硬质碳基导电功能材料，在发生拉伸形变的同时内部的导电颗粒由于截面积变小接触变得更为紧密，所以能保持电阻的近线性变化。单独的复合材料在发生大变形之后，无法快速回弹或是发生塑性变形，所述具有高回弹性能的外套为内部的导电材料提供了优良的回弹性能，同时可以对内部的复合材料提供保护，方便应用于各种工况。
8.所述复合材料是由导电材料均匀分散于液态灌封胶所得；
9.所述导电材料包括但不限于：炭黑、碳纳米管、石墨烯等。
10.所述液态灌封胶包括但不限于：道康宁184、道康宁186、ecoflex等。
11.所述高回弹性外套包括但不限于：管材、中空板条、带有流道的各种器件等。
12.所述高回弹性外套所用材料包括但不限于：乳胶、橡胶、硅胶等。
13.制备所述应变传感器的方法，包括如下步骤：
14.步骤一、将导电材料均匀分散在液态灌封胶溶液中，得到具有导电性的复合材料；
15.步骤二、将步骤一得到的具有导电性的复合材料填装到高回弹性外套中，待所述复合材料固化后，连接电极形成传感器。
16.为了使步骤一的导电材料分散均匀，分别使用稀释剂稀释液态灌封胶，分散导电填充物，充分混合后除去稀释剂；
17.所述固化方法如下：采用鼓风干燥箱对所述具有导电性的复合材料进行固化。
18.固化温度和时间对应为：热固化100摄氏度，保温210分钟；
19.与现有发明相比，本发明具有如下有益效果
20.1、该电阻式应变传感器能在大应变条件下、保持通路且电阻变化与应变呈现高线性度的关系。而且能反复使用，具有良好的循环使用性能。
21.2、电阻式应变传感器的制备过程中，均使用环境友好型原材料，制备过程无环境污染，制备流程简单，所需设备均为常见设备。
22.3、制备方法灵活，可以根据不同的使用工科，选择不同形状，不同材料的载体作为具有导电性复合材料的辅助回弹外套。可以选择多种电极满足不同的安装和测试环境。
附图说明
23.图1是大应变高线性度电阻式应变传感器的示意图；
24.图2是大应变高线性度电阻式应变传感器的相对电阻随拉伸应变的变化曲线图；
25.图3是大应变高线性度电阻式应变传感器在循环测试中的相对电阻变化曲线图；其中图a为使用3050硅胶套，最大应变为200％的循环测试图；图b为使用2040硅胶套，最大应变为100％的循环测试图。
26.其中，101—碳基导电粉末颗粒，102—灌封胶基底。
具体实施方式
27.下面将结合附图进一步对本发明的技术方案进行说明，需要指出的是，一下所述实例旨在便于对本发明的理解，而不对其起任何限定作用。
28.本发明实例中，如图1所示一种大应变高线性度电阻式应变传感器，由具有导电性的改性硅胶作为复合材料1，由细长乳胶管作为外套2。
29.所述实例中主要组分购买来源如下所示：碳纳米管(先锋纳米科技公司)、双组分液态灌封胶(道康宁公司)、乳胶管(淘宝网)。
30.实施例1
31.本实例提供一种大应变高线性度电阻式应变传感器，由以下方法制备得到。
32.(1)按照质量比1:19称量碳纳米管和灌封胶，按照质量比1：1称量灌封胶和硅胶稀释剂；
33.(2)将所述称量好的灌封胶同硅胶稀释剂混合，使用磁力搅拌器对其进行充分搅
拌，设定转速为500rpm，持续时间为20分钟，得到稀释后的硅胶胶水；
34.(3)将所述称量好的碳纳米管加入所述稀释后的硅胶胶水,使用玻璃棒将所述碳纳米管与稀释后的硅胶溶液进行初步混合；
35.(4)使用磁力搅拌器对步骤(3)所得碳纳米管与稀释后的硅胶胶水混合物进行搅拌，持续时间为60分钟。进一步，使用超声清洗机对所得混合物进行超声处理，持续时间为30分钟；
36.(5)将步骤(4)所得混合物放置入培养皿中，静置于负压通风橱中，持续时间为12小时，待硅胶稀释剂充分挥发后，得到具有导电性的改性硅胶；
37.(6)将步骤(5)中所得具有导电性的改性硅胶，填装到普通医用针管中，堵住针管头后，反复抽动针管以排出在操作过程中引入的空气；
38.(7)裁剪规格为2040的乳胶管7cm，准备5mm长，2.5mm直径不锈钢短棒两个。使用步骤(6)中填装有步骤(5)中所得混合物的针管，将具有导电性的改性硅胶注射入乳胶管中，使用不锈钢短棒将所述乳胶管两头封堵；
39.(8)使用鼓风干燥箱对步骤(7)得到的乳胶管内的填装具有导电性的改性硅胶进行加速固化，保温温度为100摄氏度，保温时间为210分钟；
40.(9)将步骤(8)中得到的乳胶管两端的不锈钢短棒取出，使用长度5mm、外径2mm、壁厚0.7mm的毛细钢管作为乳胶管两端的堵头，使用0.3mm直径的铜导线作为电极，直接插入固化后的具有导电性的改性硅胶中，深度为5mm。
41.测试过程中，使用力学万能试验机夹持(9)中得到的大应变高线性度电阻式应变传感器两端，用可以记录电阻变化的万用表连接电极，输入加载参数后对传感器进行测试。测试结果表明，该传感器能在200％的应变条件下保持呈近似线性的电阻响应(如图2)。
42.实施例2
43.(1)材料准备：碳纳米管粉末作为导电填充物，灌封胶为一种双组分硅胶胶水，被用作复合材料基底。分别按照质量百分比3％、4％、5％、6％准备碳纳米管(所述质量百分比中，总质量指所述碳纳米管与灌封胶胶水的质量和)。按照所述质量百分比准备灌封胶胶水，按照稀释剂与所述灌封胶胶水的质量比为1：1，准备所述硅胶稀释剂；
44.(2)将(1)中称量好灌封胶与硅胶稀释剂初步混合后，使用磁力搅拌器对所述稀释硅胶胶水进行充分搅拌。转速为500rpm，持续时间为20分钟，制得的稀释硅胶胶水；
45.(3)将(2)中制得的稀释硅胶胶水中加入(1)中称量好的碳纳米管，使用玻璃棒将所述碳纳米管与稀释后的硅胶溶液进行初步混合；
46.(4)使用磁力搅拌器对步骤(3)所得碳纳米管与稀释后的硅胶溶液混合物进行搅拌，持续时间为60分钟；
47.(5)使用超声清洗机对步骤(4)所得混合物进行超声处理，持续时间为30分钟；
48.(6)将步骤(5)所得混合物放置入培养皿中，静置于负压通风橱中，持续时间为12小时。待硅胶稀释剂充分挥发后，得到具有导电性的改性硅胶；
49.(7)选取普通的医用注射器对(6)处理后的具有导电性的改性硅胶填充入所述规格的乳胶管中，使用对应口径的金属短棒对所述灌装有具有导电性的改性硅胶的乳胶管两端进行封堵；
50.(8)使用鼓风干燥箱对步骤(7)得到的乳胶管内的填装具有导电性的改性硅胶进
行加速固化，保温温度为100摄氏度，保温时间为210分钟。
51.所述具有导电性的改性硅胶中碳纳米管的优选质量比为5％。这是由于所述不同质量百分比制备得到的具有导电性的改性硅胶中，较低的碳纳米管占比(指质量百分比为3％)导致改性硅胶的导电性能较差，较高的质量百分比(指质量百分比为6％)导致改性硅胶难以承受大变形的同时保持不断裂。
52.实施例3
53.(1)材料准备：碳纳米管粉末作为导电填充物，灌封胶为一种双组分硅胶胶水，被用作复合材料基底。按照质量百分比5％准备碳纳米管(所述质量百分比中，总质量指所述碳纳米管与灌封胶胶水的质量和)。按照所述质量百分比准备灌封胶胶水，按照稀释剂与所述灌封胶胶水的质量比为1：1，准备所述硅胶稀释剂。准备管内径与外径的具体尺寸为3050、2040的乳胶软管(3050表示，管内径为3mm，管外径为5mm)；
54.(2)将(1)中称量好灌封胶胶水与硅胶稀释剂初步混合后，使用磁力搅拌器对所述稀释硅胶胶水进行充分搅拌。转速为500rpm，持续时间为20分钟，制得的稀释硅胶胶水；
55.(3)将(2)中制得的稀释硅胶胶水中加入(1)中称量好的碳纳米管粉末，使用玻璃棒将所述碳纳米管与稀释后的硅胶溶液进行初步混合；
56.(4)使用磁力搅拌器对步骤(3)所得碳纳米管与稀释后的硅胶溶液混合物进行搅拌，持续时间为60分钟；
57.(5)使用超声清洗机对步骤(4)所得混合物进行超声处理，持续时间为30分钟；
58.(6)将步骤(5)所得混合物放置入培养皿中，静置于负压通风橱中，持续时间为12小时。待硅胶稀释剂充分挥发后，得到具有导电性的改性硅胶；
59.(7)选取普通的医用注射器对(6)处理后的具有导电性的改性硅胶填充入所述规格的乳胶管中，使用对应口径的金属短棒对所述灌装有具有导电性的改性硅胶的乳胶管两端进行封堵；
60.(8)使用鼓风干燥箱对步骤(7)得到的乳胶管内的填装具有导电性的改性硅胶进行加速固化，保温温度为100摄氏度，保温时间为210分钟。
61.(9)将步骤(8)中得到的乳胶管两端的不锈钢短棒取出，使用适当的中空毛细钢管作为乳胶管两端的堵头，使用0.3mm直径的铜导线作为电极，直接插入固化后的具有导电性的改性硅胶中，深度为5mm。
62.测试过程中，使用力学万能试验机夹持(9)中得到的大应变高线性度电阻式应变传感器两端，用可以记录电阻变化的万用表连接电极，输入加载参数后对传感器进行循环加载测试。测试结果如图3，所述管径选取为3050和2040的乳胶软管均可作为具有高回弹性能的外套使用。
63.结论，根据上述实例得到的实验结果，可以表明本文所述的应变传感器具有在大应变条件下，通过电阻的线性变化来反馈应变状况的能力，而且可以在承受上百次超过100％的应变循环后保持性能的稳定。与此同时，在实例的材料准备和操作过程说明本发明具有绿色环保，操作步骤简单且成本低的优点。
64.以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明
的保护范围之内。