基于碳纳米管-铜-氧化锌复合薄膜柔性应变传感器的制备方法

发明涉及一种应变传感器，尤其涉及一种基于碳纳米管-铜-氧化锌的超疏水复合薄膜柔性应变传感器的制备方法。

背景技术：

1、应变传感器广泛应用于结构健康监测和振动控制。传统的应变传感器，如应变计，灵敏、稳定、成本低且易于使用。然而，应变片只能测量结构表面指定方向和位置的应变；而且，应变感测通常是它们能够提供的唯一功能。因此，需要开发新型的应变传感器，其可以在微观和宏观尺度上起作用，在表面上或嵌入结构中，即表现为多功能材料/部件。单壁cnt(swcnt)和多壁cnt(mwcnt)两者在其机械变形和电导率之间表现出可重复的加载-卸载关系，这意味着cnt作为应变/应力传感器的潜在用途。碳纳米管能够作为应力传感器，纯swcnt膜也可以用作应变传感器。

2、目前现有的碳纳米管-铜应变传感器，都只是在碳纳米管薄膜的单面利用电子束蒸镀或喷涂金属电极，或是在纳米管薄膜的单面电化学沉积铜，这些应变传感器灵敏度不高，对于外界产生的应变不能够立即反应，响应与恢复时间有待提高；其次铜本身具有一定的亲水性容易受到空气中水蒸气的影响；若作为可穿戴设备或是医疗方面的应用，人体皮肤表面会分泌体液也会导致传统的碳纳米管-铜应变传感器受到影响。这些问题是目前大多数的碳纳米管-铜应变传感器所没有发现或是没有解决的。

技术实现思路

1、本发明旨在解决上述缺陷，本发明制备了一种基于碳纳米管-铜-氧化锌的超疏水复合薄膜柔性应变传感器，首先在碳纳米管薄膜双面电沉积铜，形成一种“夹心”的结构，这种“夹心”的结构提高了复合薄膜的比电导率，电流承载能力和耐腐蚀性，并且双面电化学沉积铜，与现有的碳纳米管单面沉积铜的复合薄膜应变传感器相比，更大程度上的提高了复合薄膜应变传感器的灵敏度、相应与恢复时间，能够更加精确与快速的对于外界的应变有所反应，复合薄膜的力学性能也有了很大提升；最后在复合薄膜表面涂覆一层基于氧化锌的超疏水涂层，使其免受空气中水蒸气的影响，让应变传感器保持其精确度。对于可穿戴设备也可避免由于人的皮肤分泌体液影响传感器的功能与使用寿命，使碳纳米管-铜-氧化锌的超疏水复合薄膜柔性应变传感器更加广泛地应用于医疗、运动、安全交通领域，例如监控病人的脉搏、对于手指弯曲，夜间跑步示警，抬腿运动，膝跳运动等。本发明利用电化学法制备一种碳纳米管-铜复合薄膜。

2、碳纳米管-铜-氧化锌的超疏水复合薄膜柔性应变传感器，包括以下步骤：

3、(1)碳纳米管薄膜表面亲水化处理：先用去离子水冲洗碳纳米管薄膜表面除去表面杂质，并在60℃的真空烘箱中干燥30～40min，用氧等离子清洗机处理薄膜正反两面，氧等离子清洗功率为65～75w，清洗时间为120～140s；

4、(2)电解液的配制：称取适量的硫酸铜，柠檬酸钠，硼酸和聚乙二醇溶于去离子水中，其中硫酸铜：柠檬酸钠：硼酸：聚乙二醇的质量比为75:147:310:60。加热搅拌直至完全溶解，用4m的氢氧化钠溶液将溶液ph调至7，在配置溶液的烧杯顶部覆盖上保鲜膜并用橡皮筋使其固定，再将溶液置于75～85℃恒温水浴锅中充分预热30min备用；

5、(3)碳纳米管-铜复合薄膜的制备：将清洗后的薄膜作为工作电极，铂板作为对电极，ag/agcl作为参比电极，在电解液中以-0.7～-0.9v恒电压沉积30min，电化学沉积时混合溶液保持75～85℃的温度，电化学反应过程中电解液以150-180转/分的转速持续搅拌。

6、(4)spfo-pva-zno溶液的制备：取聚乙烯醇(pva)，加入到去离子水，配制浓度为5g/l，放到80～90℃水浴锅加热3h～3.5h使其完全溶解于去离子水里，得到浓度为0.5％的pva溶液，其次取zno纳米颗粒加入到配置好的0.5％的pva水溶液里，固液质量为2g：100ml，然后超声分散，得到pva-zno混合液；配置0.1mol/l的全氟辛酸钠(spfo)水溶液，室温下边搅拌边逐滴加入pva-zno混合液，体积比为1:5，超声1～1.5h，得到spfo-pva-zno溶液

7、(5)超疏水柔性复合薄膜的制备：将制备好的spfo-pva-zno溶液放入喷枪内，用喷枪均匀的喷涂在碳纳米管-铜复合薄膜表面。

8、本发明在传感器表面形成超疏水层，疏水层的作用是保护沉积的铜层免受空气中水蒸气的影响降低了传感器的传感性能以及使用寿命，同时不会对导电性有任何影响。

9、与现有技术相比，本发明的有益效果为：目前现有的碳纳米管-铜应变传感器，都只是在碳纳米管薄膜的单面利用电子束蒸镀或喷涂金属电极，这些应变传感器灵敏度不高，对于外界产生的应变不能够立即反应，响应与恢复时间有待提高；其次铜本身具有一定的亲水性容易受到空气中水蒸气的影响；若作为可穿戴设备或是医疗方面的应用，人体皮肤表面会分泌体液也会导致传统的碳纳米管-铜应变传感器受到影响。

10、本发明利用碳纳米管薄膜电沉积铜，并且是碳纳米管薄膜的双面镀铜提高了复合薄膜应变传感器的灵敏度、相应与恢复时间，能够更加精确与快速的对于外界的应变有所反应，最后在复合薄膜表面涂覆一层基于氧化锌的超疏水涂层，使其免受空气中水蒸气的影响，让应变传感器保持其精确度。

技术特征：

1.一种基于碳纳米管-铜-氧化锌复合薄膜柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的基于碳纳米管-铜-氧化锌复合薄膜柔性应变传感器的制备方法：其特征在于：步骤(1)的电解液中硫酸铜：柠檬酸钠：硼酸：聚乙二醇的质量比为75:147:310:60。

3.根据权利要求1所述的基于碳纳米管-铜-氧化锌复合薄膜柔性应变传感器的制备方法：其特征在于：碳纳米管薄膜表面清洗处理：先用去离子水冲洗碳纳米管薄膜表面除去表面杂质，并在60℃的真空烘箱中干燥30～40min，用氧等离子清洗机处理薄膜正反两面，氧等离子清洗功率为65～75w，清洗时间为120～140s。

4.根据权利要求1所述的基于碳纳米管-铜-氧化锌复合薄膜柔性应变传感器的制备方法：其特征在于：取zno纳米颗粒加入到配置好的pva水溶液里，固液质量为2g：100ml；全氟辛酸钠水溶液与pva-zno混合液的体积比为1:5。

5.根据权利要求1所述的基于碳纳米管-铜-氧化锌复合薄膜柔性应变传感器的制备方法：其特征在于：步骤(2)在电解液中以-0.9v恒电压沉积60min。

6.根据权利要求1-5任一项所述方法制备的基于碳纳米管-铜-氧化锌复合薄膜柔性应变传感器。

技术总结
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及基于碳纳米管‑铜‑氧化锌复合薄膜柔性应变传感器的制备方法。以碳纳米管薄膜进作为工作电极，铂板作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极，在电化学沉积液中沉积，电解溶液包含硫酸铜、柠檬酸钠、硼酸和聚乙二醇；最后制备SPFO‑PVA‑ZnO溶液涂覆在CNT‑Cu复合薄膜表面形成疏水层，在提高传感器的精确度的同时也扩大了适用范围。本发明通过电化学沉积法快速制备碳纳米管‑铜复合薄膜作为敏感元，并将其与SPFO‑PVA‑ZnO超疏水层结合，制备了一种超疏水柔性应变传感器。

技术研发人员：戴徐诚,弓晓晶
受保护的技术使用者：常州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15