基于碳纳米管原位生长碳纳米纤维的多孔柔性应变传感器

本发明属于传感器，尤其涉及一种基于碳纳米管原位生长碳纳米纤维的多孔柔性应变传感器及制备方法。

背景技术：

1、随着科学技术的飞速发展，柔性电子设备的研究不断深入，如今，柔性力学传感器已经广泛应用于可穿戴电子设备、生理信号检测、电子皮肤等多种领域。其中，柔性应变传感器通过检测应变，将机械变形转化为电信号输出，完成对应变的响应，相比传统的基于金属和半导体的刚性应变传感器，基于纳米材料/聚合物的柔性应变传感器可以贴合物体表面测量可弯折可拉伸的物体。然而，大部分的柔性应变传感器都存在制作工艺复杂，制作成本高，灵敏度低，响应迟缓的问题。

2、碳纳米管作为常见的导电纳米材料，价格低廉，其独特的一维中空管状结构和巨大的长径比赋予了碳纳米管优异的电力学性能和机械性能，在柔性传感领域有巨大的应用潜力，然而，碳纳米管之间易发生缠绕，在聚合物基体中分散性差，影响柔性应变传感器的传感性能。

3、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：大部分的柔性应变传感器都存在制作工艺复杂，制作成本高，灵敏度低，响应迟缓的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于碳纳米管原位生长碳纳米纤维的多孔柔性应变传感器及制备方法，利用原位生长技术，修饰碳纳米管表面，解决碳纳米管之间的缠绕问题，进而通过制备基于碳纳米管原位生长碳纳米纤维的多孔柔性应变传感器，解决柔性应变传感器灵敏度不高的技术问题。

2、本发明是这样实现的，基于碳纳米管原位生长碳纳米纤维的多孔柔性应变传感器的制备方法，所述基于碳纳米管原位生长碳纳米纤维的多孔柔性应变传感器的制备方法包括以下步骤：

3、s1，将六水硫酸镍、尿素、聚乙烯吡咯烷酮、碳纳米管按一定比例混合后，依次加入水中，搅拌1h～2h，超声处理10-30min，随后将混合溶液倒入聚四氟乙烯容器中，170℃～200℃条件下反应2h～6h，反应结束冷却至室温后，将混合溶液离心、洗涤和干燥，得到碳纳米管负载纳米氢氧化镍粉末；

4、s2，将装有碳纳米管负载纳米氢氧化镍粉末的石英舟放入管式炉中，通入40sccm-60sccm的惰性气体，加热反应装置至400℃～550℃，保温2h～3h后，继续升温至600℃～700℃，温度稳定10min后，通入20sccm～40sccm的乙炔，反应20～40min；然后冷却至室温，得到碳纳米管原位生长碳纳米纤维材料；

5、s3，将碳纳米管原位生长碳纳米纤维材料、导电碳黑、柠檬酸钠、环己烷和聚二甲基硅氧烷按一定比例混合，剪切搅拌1h～2h，超声处理10min～30min，得到混合导电浆料，然后涂覆在玻璃片上，于60℃～80℃下固化5h～8h，得到柔性薄膜；

6、s4，将得到的柔性薄膜在去离子水中浸泡，在温度为70℃～90℃条件下水浴加热5h～6h，更换去离子水，重复浸泡4～5次，脱去柠檬酸钠造孔剂，得到基于碳纳米管原位生长碳纳米纤维的多孔力学传感器。

7、进一步，s1中六水硫酸镍、尿素、聚乙烯吡咯烷酮、碳纳米管的质量比为1～3：10～20：10～15：10。

8、进一步，s1中混合溶液体装入聚四氟乙烯容器的填充比为50％～80％。

9、进一步，s1中聚乙烯吡咯烷酮的k值为30，pvp k30。

10、进一步，s2中惰性气体为氮气、氩气等，从开始升温到降温的反应全程都需要通入该气体。

11、进一步，s2中加热反应装置的第一次升温的速度为6℃～9℃/min。

12、进一步，s3中碳纳米管原位生长碳纳米纤维材料、导电碳黑、柠檬酸钠、环己烷和聚二甲基硅氧烷的质量比为1～2：1～4：100～150：100：100。

13、进一步，s3中混合导电浆料的涂覆厚度为0.5mm～3mm。

14、本发明的另一目的在于提供一种基于碳纳米管原位生长碳纳米纤维的多孔柔性应变传感器的制备方法制备得到的柔性应变传感器。

15、本发明的另一目的在于提供所述的柔性应变传感器在制备可穿戴电子设备中的应用。

16、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

17、第一，本发明提供了一种碳纳米管原位生长碳纳米纤维的方法，碳纳米管具有独特的中空结构和较大的长径比赋予了碳纳米管优异的电力学性能、热力学性能和机械性能，但碳纳米管容易相互缠绕，限制了其应用与开发，在碳纳米管表面均匀生长的碳纳米纤维，克服了碳纳米管之间的缠绕团聚问题，生长碳纳米纤维的粗糙表面相互接触丰富了碳纳米管之间的接触位点，在制作的多孔柔性应变传感器的聚合物基体中形成更丰富的导电网络，提升传感器的灵敏度。

18、第二，本发明采用的pvp k30分子量小，粘度小，既能使碳纳米管在水中均匀分散，均匀包覆碳纳米管，又能络合镍离子，在碳纳米管上均匀负载纳米氢氧化镍颗粒。

19、本发明全程通入惰性气体，有效防止材料被氧化。

20、本发明加热反应装置的第一次升温是为了热解纳米氢氧化镍，获得纳米氧化镍，升温速度过快影响纳米氧化镍的形貌，进而影响后续碳纳米纤维的生长。该速度下热解得到的纳米氧化镍，生长的碳纳米纤维纯度更高。

21、本发明将导电碳黑加入到碳纳米管原位生长碳纳米纤维材料的网络结构中，在导电网络结构中形成线-线，线-点，点-点的连接方式，在拉伸-复原过程中形成更多有效触点，从而提升传感器的灵敏度。造孔剂柠檬酸钠相比氯化钠、蔗糖等造孔剂在水中的溶解度更高，实现有效造孔，在受到应力作用时，能造成更大的形变，从而提升传感器的灵敏度。

22、第三，本发明所制备的多孔柔性应变传感器在低应变(0～20％)条件下表现出优异的灵敏度，适用于大量低应变工作场景，如进行脉搏、心跳等人体生理指标监测。

23、本发明所制备的多孔柔性应变传感器采用的工艺过程简单、生产成本低，效率高，容易实现连续化、规模化生产。

技术特征：

1.基于碳纳米管原位生长碳纳米纤维的多孔柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的基于碳纳米管原位生长碳纳米纤维的多孔柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，s1中六水硫酸镍、尿素、聚乙烯吡咯烷酮、碳纳米管的质量比为1～3：10～20：10～15：10。

3.如权利要求1所述的基于碳纳米管原位生长碳纳米纤维的多孔柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，s1中混合溶液体装入聚四氟乙烯容器的填充比为50％～80％。

4.如权利要求1所述的基于碳纳米管原位生长碳纳米纤维的多孔柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，s1中聚乙烯吡咯烷酮的k值为30，pvp k30。

5.如权利要求1所述的基于碳纳米管原位生长碳纳米纤维的多孔柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，s2中惰性气体为氮气、氩气等，从开始升温到降温的反应全程都需要通入该气体。

6.如权利要求1所述的基于碳纳米管原位生长碳纳米纤维的多孔柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，s2中加热反应装置的第一次升温的速度为6℃～9℃/min。

7.如权利要求1所述的基于碳纳米管原位生长碳纳米纤维的多孔柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，s3中碳纳米管原位生长碳纳米纤维材料、导电碳黑、柠檬酸钠、环己烷和聚二甲基硅氧烷的质量比为1～2：1～4：100～150：100：100。

8.如权利要求1所述的基于碳纳米管原位生长碳纳米纤维的多孔柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，s3中混合导电浆料的涂覆厚度为0.5mm～3mm。

9.一种如权利要求1～8任一项所述的基于碳纳米管原位生长碳纳米纤维的多孔柔性应变传感器的制备方法制备得到的柔性应变传感器。

10.一种如权利要求9所述的柔性应变传感器在制备可穿戴电子设备中的应用。

技术总结
本发明属于传感器技术领域，公开了一种基于碳纳米管原位生长碳纳米纤维的多孔柔性应变传感器及制备方法，利用六水硫酸镍、尿素、聚乙烯吡咯烷酮和碳纳米管制备碳纳米管负载纳米催化剂前驱体；然后置于惰性气氛中，热解后，通入碳源，催化裂解碳源，得到碳纳米管原位生长碳纳米纤维；再与导电碳黑、柠檬酸钠造孔剂、环己烷和聚二甲基硅氧烷按一定比例混合，搅拌均匀，超声分散，倒入模具中固化，得到柔性薄膜；将制得的柔性薄膜在去离子水中反复浸泡，脱去柠檬酸钠造孔剂，得到多孔柔性应变传感器。本发明基于碳纳米管原位生长碳纳米纤维，制备工艺方法简单，制得的柔性应变传感器灵敏度高，稳定性好，可应用于柔性可穿戴电子设备。

技术研发人员：慕春红,周颖,杨成韬,徐明珍,冯婷婷
受保护的技术使用者：电子科技大学长三角研究院（湖州）
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1