一种基于聚酰亚胺基复合气凝胶的柔性传感器及其制备方法

本发明涉及一种基于聚酰亚胺基复合气凝胶的柔性传感器及其制备方法，属于传感器领域。

背景技术：

1、柔性传感器具有可以感测微小的机械信号并将其转化输出为电信号的功能，相较于传统的刚性传感器，柔性传感器易于适应多种不规则表面，能够更加有效地感知刺激并生成更高质量的信号，因此在健康监测、人机交互、人工智能、物联网等领域表现出巨大的应用潜力。

2、在各种柔性传感器中，使用具有三维多孔结构传感材料的柔性传感器表现出质量轻、透气性好、响应范围宽等优势，并且基底选择范围广泛，还可以通过孔隙结构设计、调节填料比例等实现对传感器响应性能的调控。聚酰亚胺作为一种工程聚合物，凭借着优异的机械性能、化学稳定性、耐高/低温、耐辐射等优点而受到广泛关注。将聚酰亚胺与不同填料混合制备成复合泡沫或气凝胶，在柔性传感器领域有着很高的应用价值。然而现有的基于聚酰亚胺基复合材料的柔性传感器不能最大化负载作用、构建的导电通道滞后、没有快速变形能力，从而导致柔性传感器的灵敏度低/响应时间长，不利于实际应用。

3、聚酰亚胺基复合气凝胶基柔性传感器的工作机理可由平行板电容器的电容决定式c＝εs/(4πkd)解释，其中ε为相对介电常数，s为电容极板正对面积，k为静电力常量，d为电容两极板之间的距离。产生形变后，气凝胶被压缩，一方面使得电容两极板之间的距离d有所减小，另一方面，低介电常数的空气被排出，相对介电常数ε升高，导致使电容值产生变化，即将微小机械信号转化为电容信号变化进行输出，从而了解并反馈天线阵面发生的变形情况。

4、对于太空环境中的卫星而言，对地观测精度是一项非常重要的参数。但在轨卫星由于受到温度场、绕动力等影响，天线阵面会发生一定程度的形变，从而导致对地观测精度无法满足需求。目前常通过独立的光学测试系统按照规定路径扫描以获得卫星天线各个方位的变形情况，但这种方式将会带来额外的重量与能耗，不利于卫星轻量化发展的需求。另外还可以通过金属应变片或预埋光纤的方式进行检测，同样也存在测量精度有限、复杂曲面布控难、额外附加质量大等实际问题。现有的测量技术无论是接触式还是非接触式均表现出一定的局限性。

5、相比之下，柔性传感器来源于共形贴附在天线阵面表面微小应力的原位测量，具有质量轻、功耗小、可集成的优势，同时高灵敏度也有利于检测到翘曲等微变形过程中的应力。然而将柔性传感应用于天线变形检测领域还鲜有报道，因此，设计构筑一种可以检测天线阵面变形的高灵敏度柔性传感器具有重大的意义。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供一种柔性传感器及其制备方法，本发明选择聚酰亚胺基复合气凝胶作为柔性传感器的感应层，结果表明其具有检测微小应力并将其转化为电容信号变化的特征。

2、本发明的技术方案：

3、本发明解决的第一个问题是提供一种柔性传感器，所述柔性传感器以聚酰亚胺基复合气凝胶作为感应层；所述聚酰亚胺基复合气凝胶是将聚酰胺酸与填料形成的气凝胶骨架进行酰亚胺化处理制得的复合气凝胶，其中，所述填料选自无机介电填料或导电填料，所述无机介电填料包括：钛酸钡、钛酸铅、钛酸锶钡、钛酸锶或钛酸铜钙；所述导电填料包括：银、碳纳米管、石墨烯或mxene材料。

4、进一步，所述聚酰胺酸与填料形成气凝胶骨架的方法包括以下步骤：

5、1)将二酐与二胺在良溶剂中缩聚成聚酰亚胺前驱体聚酰胺酸；

6、2)将填料均匀分散在与步骤1)中相同的良溶剂中，制得填料分散体；

7、3)将聚酰胺酸与填料分散体充分混合均匀制得混合物，再利用不良溶剂将聚酰胺酸与填料的混合物从良溶剂中置换出来；

8、4)对置换出来的混合物充分干燥后加入有机碱与水，将混合物充分溶解；

9、5)将溶解好的混合物冷冻干燥，得到所述气凝胶骨架。

10、进一步，步骤3)中，所述聚酰胺酸和填料分散体的质量比为1：1～5：1；

11、进一步，步骤4)中，所述充分干燥后的混合物与有机碱的质量比为0.5～2：1，充分干燥后的混合物与水的质量比为1：20～50。

12、进一步，步骤1)中，所述二酐包括3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐、1,2,4,5，-均苯四甲酸二酐或4,4’-氧双邻苯二甲酸酐；所述二胺包括4,4’-二氨基二苯醚或2,2’-二甲基联苯胺；所述良溶剂包括n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、n-甲基吡咯烷酮或二甲基亚砜。

13、进一步，步骤3)中，所述不良溶剂选自：甲醇、乙醇、水或丙酮中的至少一种；优选为水。

14、进一步，步骤4)中，所述有机碱包括三乙胺或n,n-二甲基乙醇胺。

15、进一步，步骤5)中，冷冻干燥的步骤为：首先在-20℃～-50℃环境中使溶液水分形成冰晶，再抽真空使真空度在0～200pa，48～72h后即可得到所述气凝胶骨架。

16、进一步，所述酰亚胺化处理的方法为：在惰性气体环境中，首先从室温以60～100℃/h的升温速率升温至60～100℃，保温0.5～2h；再以40～80℃/h的升温速率升温至100～180℃，保温1～2h；接着以40～80℃/h的升温速率升温至200～280℃，保温0.5～2h；最后以40～80℃/h的升温速率升温至300～380℃，保温1～2h即可完成酰亚胺化。

17、进一步，上述柔性传感器的响应时间与恢复时间为10～30ms。

18、进一步，上述柔性传感器的灵敏度为50kpa-1～4000kpa-1。

19、本发明解决的第二个问题是提供上述柔性传感器的制备方法，所述制备方法为：将所述聚酰亚胺基复合气凝胶上下表面粘附导电电极，即可制得所述柔性传感器。

20、进一步，所述导电电极为金属箔片。

21、更进一步，所述金属箔片包括：金箔片、银箔片或铜箔片。

22、本发明解决的第三个问题是指出上述柔性传感器在检测天线阵面变形、医疗健康智能穿戴设备、人机交互或人机界面中的触觉反馈或运动体育监测等方面的应用。

23、本发明的作用与效果：

24、本发明提供了一种柔性传感器，所述柔性传感器以聚酰亚胺基复合气凝胶为感应层，所述复合气凝胶是将聚酰胺酸与填料形成的气凝胶骨架进行酰亚胺化处理制得，其中，所述填料选自无机介电填料或导电填料，所述无机介电填料包括：钛酸钡、钛酸铅、钛酸锶钡、钛酸锶或钛酸铜钙；所述导电填料包括：银、碳纳米管、石墨烯或mxene材料。

25、本发明所制得的基于聚酰亚胺基复合气凝胶的柔性传感器具有低模量、高灵敏度、快速响应(响应时间低至12ms)、循环稳定性好的特征。

26、另外，本发明制得的柔性传感器可用于检测天线阵面变形，当天线阵面发生翘曲等微小应变时，产生的微小应力将会被所制备的柔性传感器检测到，由于复合气凝胶的模量很低，微小应力将会导致较大的形变。上述柔性传感器的最小响应应力低至5pa，具有微小应力的检测能力。

27、此外，由于复合气凝胶中含有无机介电填料或未超过渗流阈值的导电填料，使得复合气凝胶的相对介电常数ε较高，在发生形变时，高相对介电常数ε将会对d与ε的微小变化产生放大效应，能够将感应层收集到的微小应力转化为更加更加强烈的输出信号改变量，从而实现高的传感灵敏度。