一种封装的石墨烯-PDMS柔性应变传感器及其制备方法

本发明属于传感器领域，涉及一种封装的石墨烯-pdms柔性应变传感器及其制备方法。

背景技术：

1、传感器的种类有许多种，按照传感器敏感元件所属的不同类型进行分类，传感器有压电式、磁电式、光电式、热点式、电阻应变式、电位计式等多种类型；按找传感器敏感元件的信号转换特征分类，传感器可分为结构性和物性型两大类；按照传感器信号转换的原理分类，可将传感器分为参量式和发电式两大类；按传感器的能量关系分类可分为能量转换型和能量控制型两种类型；按照传感器所用材料的不同可以分为金属传感器、聚合物传感器、陶瓷传感器、混合物传感器等。

2、传统压阻式应变计一般采用具有局域压阻效应的半导体材料作为敏感材料，灵敏度通常较高，如掺杂单晶硅的应变传感器灵敏度可达200。但半导体材料较脆，小变形即可能导致其断裂破坏，量程通常较低(<1％)。而新型柔性压阻应变传感器通常由多种材料复合而成，即活性层材料、基底材料和电极材料。活性层材料提供电学性能，聚合物基底材料则提供良好的拉伸性能。基于纳米复合材料的新型柔性压阻应变传感器具备传统压阻式应变计的量程和灵敏度，但现有的复合材料在实际应用中仍面临挑战。现有的封装技术大多采用弹性模量小的pdms作为基础材料。

3、近年来，随着柔性电子技术的繁荣和发展，柔性传感器引起了人们的广泛关注。这些传感器中的传感材料必须能够迅速将外部刺激(例如，温度、应变或压力)转化为可检测的电子信号。由于柔性传感器可将被测试物体上的局部变形应变转换成直观可测的电阻变化，已经在健康监测、虚拟电子、柔性触摸屏、人机互动及工业机器人等多个领域得到广泛应用。

4、传统的传感器能够感知外界物理或化学状态(如力、速度、温度、湿度、气体、液体等)，与直观的简单测量设备相比，传感器的测量精度更高、范围更广，可以同时实现信息的传递、处理、存储、显示、记录和控制等要求。相对来说，柔性传感器具有良好的柔韧性，能够适应复杂的非平整表面，承受拉伸、弯曲甚至折叠等大幅度变形，更加满足结构健康监测领域的测量需求。但目前柔性传感器多用于人体状态监测，由于人体皮肤较为柔软，应变通常能够达到10％的量级，而工程结构中的应变仅有10-5％量级，需要更精密的测量。因此亟需开发柔性传感器的精确标定方法和提高灵敏度技术。

5、结构损伤识别作为土木工程结构健康监测的一个重要方面，受到越来越多的关注与研究。土木工程结构在其长期使用过程中，由于环境、人为、材料本身老化等因素的影响，会产生不同程度的损伤。结构损伤会导致其抵抗外部荷载的能力降低，从而影响结构的正常使用要求，甚至导致重大安全事故的发生。为了保证这些大型结构在正常使用状态下的适用性和耐久性，以及在地震、强风等极端荷载作用下的安全性，采用有效的手段进行安全监测和评估显得尤为必要和迫切，这也是结构健康监测学科致力研究的重要课题。

6、柔性传感器的导电层通常是十分脆弱的，容易受到风吹、日晒、腐蚀环境因素的影响，会降低了传感器的寿命，因此需要通过封装进行保护。但由于剪切滞后效应的影响，应变由被测结构传递至导电层时发生消耗，会使得导电层对结构应变敏感度降低。

7、基于以上内容，现有技术存在如下缺陷：(1)现有的柔性应变传感器大多适用于人体皮肤等较柔的结构表面，土木工程材料本身弹性模量大，与常见的柔性传感器存在弹性模量不匹配的问题；(2)现有的柔性传感器只考虑了导电层的性能，材料在复杂、恶劣的环境下易发生老化、腐蚀等问题；(3)现有的柔性传感器基底弹性模量小，会显著影响应变传递至导电层的效率。因此，现在急需提供一种能够在工程结构中进行精密测量的柔性传感器。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种封装的石墨烯-pdms柔性应变传感器及其制备方法。

2、实现本发明目的的技术方案如下：

3、一种封装的石墨烯-pdms柔性应变传感器，包括柔性基材，所述柔性基材的上表面依次复合有石墨烯-pdms复合导电层和保护层；所述保护层、石墨烯-pdms复合导电层、所述柔性基材设置成三明治结构；

4、所述石墨烯-pdms复合导电层连接有导线作为电极；

5、所述柔性基材为sio2-pdms复合材料。

6、进一步地，所述石墨烯-pdms复合材料中的石墨烯与pdms的质量比为(0.15～1):10。优选(0.3～0.5)：1，例如：0.4:1。

7、进一步地，所述石墨烯-pdms复合材料中的石墨烯纯度大于等于99％。

8、进一步地，所述保护层为pdms材料。

9、进一步地，柔性基材中sio2与pdms的质量比为(0.2～1)：10，更加优选(0.4～0.6)：10，例如0.5:1。

10、进一步地，所述石墨烯-pdms复合导电层包括石墨烯-pdms复合材料和涂覆于石墨烯-pdms复合材料上下表面的导电银浆层，所述导线连接于所述导电银浆层。

11、进一步地，所述导线为银导线。

12、本发明还提供一种上述封装的石墨烯-pdms柔性应变传感器的制备方法，包括如下步骤：

13、(1)制备石墨烯-pdms复合导电层；

14、(2)在所述石墨烯-pdms复合导电层的上表面复合保护层；

15、(3)在步骤(2)所得石墨烯-pdms复合导电层的下表面复合柔性基材，得到所述柔性应变传感器。

16、进一步地，所述石墨烯-pdms复合导电层的制备方法包括如下步骤：

17、(1)将石墨烯分散到无水乙醇中，得到石墨烯分散液；

18、(2)将石墨烯分散液与pdms的预聚体混合并消泡；

19、(3)将步骤(2)得到的混合溶液注入模具，使之交联固化，得到石墨烯-pdms复合材料；

20、(4)在石墨烯-pdms复合材料的表面粘贴导线作为电极，得到石墨烯-pdms复合导电层。

21、进一步地，所述石墨烯-pdms复合导电层的制备方法包括如下步骤：

22、(1)将石墨烯分散到无水乙醇中，得到石墨烯分散液；

23、(2)将石墨烯分散液与pdms的预聚体混合并消泡；

24、(3)将步骤(2)得到的混合溶液注入模具，使之交联固化，得到石墨烯-pdms复合材料；

25、(4)在石墨烯-pdms复合材料的两侧刷导电银浆，粘贴导线作为电极，烘干使导电银浆固化，得到石墨烯-pdms复合导电层。

26、进一步地，所述保护层采用如下方法制备得到：

27、(1)配置pdms的预聚体并消泡；

28、(2)在石墨烯-pdms复合导电层的一个表面涂覆步骤(1)所得的pdms混合液，并置于交联环境使pdms交联，形成保护层。

29、进一步地，所述柔性基材的制备方法包括如下步骤：

30、(1)将纳米二氧化硅加入pdms预聚液中，均匀混合并消泡，得到柔性基材混合溶液；

31、(2)将步骤1所得柔性基材混合溶液倒入模具流平，将石墨烯-pdms复合导电层未复合保护层的一面朝下放置于流平后的溶液上，使柔性基材溶液对石墨烯-pdms复合导电层形成封装，并置于交联环境，使pdms固化，获得封装的石墨烯-pdms柔性应变传感器。

32、进一步地，上述的交联环境可选择热交联，例如50～70℃环境中交联2～6小时。

33、本发明与现有技术相比，显著的进步或有益效果包括如下几点：

34、(1)本发明基于聚二甲基硅氧烷(pdms)和石墨烯制成具有微观孔洞结构的复合材料，作为柔性应变传感器的应变感应层；提出了新的感应层封装方法，改善了现有柔性传感器无法良好发挥感应层传感特性的问题；

35、(2)本发明可以提高柔性传感器在土木工程领域中的适用性，通过柔性材料对感应层进行封装，隔绝了其与环境的直接接触，提高了柔性传感器的使用寿命；提出了不同封装层采用不同弹性模量材料的封装方法，提高了柔性传感器应变传递能力，改善柔性传感器感应层性能发挥差的问题；另外，本发明制作方法简便且精度高，具有较强的工程适用性；

36、(3)本发明制作设计了一种石墨烯-pdms柔性应变传感器，可用于测量土木结构发生的大应变，具有较高的灵敏度，解决了传感器无法应用于粗糙表面的问题；

37、(4)利用sio2-pdms复合材料作为柔性传感器封装基底，提高了应变由被测结构传递至柔性传感器的效率，从而提高传感器对结构应变的灵敏度，使传感器的电阻变化灵敏度在0-180με范围内提高了约30％，在大于180με范围内提高了约10％；

38、(5)通过等强度梁对柔性传感器进行了标定，能够通过电阻变化准确表达被测结构应变。