本發(fā)明屬于柔性傳感器，特別涉及一種高分子材料高靈敏柔性拉力傳感器及其制法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，高性能可穿戴應(yīng)變傳感器備受學(xué)術(shù)界及工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)注。隨著智能電子設(shè)備的普及，應(yīng)變傳感器在柔性電子皮膚、人體活動(dòng)監(jiān)測(cè)、語(yǔ)音識(shí)別、智能機(jī)器人等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

2、隨著柔性電子技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)柔性傳感材料的要求也逐漸升高，目前報(bào)道傳感器主要有電阻式拉力傳感器、壓電式壓力傳感器以及摩擦電式壓力傳感器。壓電式壓力傳感器和摩擦電式壓力傳感器存在無(wú)法檢測(cè)動(dòng)態(tài)負(fù)載的缺點(diǎn)，而電阻式拉力傳感器容易受到外界環(huán)境溫度或濕度變化的影響，并且因?yàn)槊舾胁牧系南拗迫菀壮霈F(xiàn)靈敏度不高、易老化、損壞等問(wèn)題。因此，開發(fā)出不受溫度及濕度影響、高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性、應(yīng)用范圍廣的柔性拉力傳感器，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了高分子材料高靈敏柔性拉力傳感器及其制法和應(yīng)用，以解決現(xiàn)有柔性拉力傳感器易損壞、低強(qiáng)度、低靈敏不能被廣泛適用等缺點(diǎn)。本發(fā)明提供的高分子材料高靈敏柔性拉力傳感器具有較高的強(qiáng)度和靈敏度，能夠適用于絕大部分環(huán)境。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明提供了一種高分子材料高靈敏柔性拉力傳感器，是復(fù)合夾芯結(jié)構(gòu)，包括蛇形排布的導(dǎo)電薄膜和設(shè)置在導(dǎo)電薄膜兩側(cè)的高分子材料外層，蛇形排布的導(dǎo)電薄膜兩端接入電極。

4、所述的蛇形排布的導(dǎo)電薄膜為通過(guò)3d打印預(yù)制備，利用熱壓機(jī)和激光切割機(jī)加工過(guò)的熱塑性聚酯彈性體。

5、所述的高分子材料高靈敏柔性拉力傳感器，拉伸強(qiáng)度為10.21～11.36mpa，靈敏度為74～480，在應(yīng)變?yōu)?0％時(shí)，電阻變化率為100～9800％，在應(yīng)變?yōu)?％時(shí)，能夠循環(huán)2000次，經(jīng)歷循環(huán)載荷時(shí)能夠保持電阻變化穩(wěn)定，受到1～11j能量沖擊時(shí)，電阻變化保持在20％～160％。

6、本發(fā)明提供了一種高分子材料高靈敏柔性拉力傳感器；所述的高分子材料高靈敏柔性拉力傳感器的高分子材料外層屬于信息功能層，強(qiáng)度高，耐磨性能優(yōu)秀，能夠適應(yīng)絕大部分惡劣環(huán)境，通過(guò)利用均勻拉伸后的高分子材料外層對(duì)導(dǎo)電薄膜進(jìn)行封裝，封裝后讓高分子材料外層帶動(dòng)蛇形排布的導(dǎo)電薄膜自然回彈，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)蛇形排布的導(dǎo)電薄膜進(jìn)行壓縮，達(dá)到導(dǎo)電層的電阻突變，進(jìn)而達(dá)到高靈敏傳感。

7、本發(fā)明的高分子材料高靈敏柔性拉力傳感器的應(yīng)用，用于作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)設(shè)備傳感器或人體監(jiān)測(cè)設(shè)備傳感器。

8、本發(fā)明提供了高分子材料高靈敏柔性拉力傳感器的制備方法，包括以下步驟：

9、s1：將彈性體導(dǎo)電線圈3d打印成預(yù)制導(dǎo)電膜；

10、s2：將預(yù)制導(dǎo)電膜熱壓硫化成為導(dǎo)電薄膜；

11、s3：將導(dǎo)電薄膜激光切割成為蛇形排布的結(jié)構(gòu)，并在其兩段接入電極；

12、s4：將純高分子彈性體材料均勻拉伸后，得到高分子材料外層，利用粘膠對(duì)導(dǎo)電薄膜封裝，封裝完畢令其自然回彈；

13、s5：將封裝的導(dǎo)電薄膜真空烘干得到高分子材料高靈敏柔性拉力傳感器。

14、優(yōu)選的，所述s1中，彈性體選擇熱塑性聚酯彈性體。

15、優(yōu)選的，所述s1中，3d打印采用的打印技術(shù)優(yōu)選為熔融沉積，打印機(jī)噴嘴溫度優(yōu)選為150～400℃，更優(yōu)選為170℃～250℃。底板溫度優(yōu)選為10～50℃，更優(yōu)選為20℃～40℃。

16、優(yōu)選的，所述s1中，打印所得預(yù)制導(dǎo)電膜厚度優(yōu)選0.5～1mm。

17、優(yōu)選的，所述s2中，熱壓機(jī)溫度優(yōu)選150～300℃，更優(yōu)選為200～250℃，時(shí)間優(yōu)選20～50s，熱壓壓力為2～3mpa。

18、優(yōu)選的，所述s2中，硫化制備導(dǎo)電薄膜厚度優(yōu)選為0.25～0.5mm。

19、優(yōu)選的，所述s3中，蛇形排布的結(jié)構(gòu)形成采用以下技術(shù)方案：采用激光以切割端口為封閉端口交叉切割形成；蛇形排布的結(jié)構(gòu)耦合距離優(yōu)選為0.5～2mm，平行耦合距離優(yōu)選為4～30mm。激光切割速度優(yōu)選為40～60mm/s，功率優(yōu)選為15％～25％。電極材料選擇鉑、銅、金、銀中的一種或幾種。

20、優(yōu)選的，所述s4中，均勻拉伸長(zhǎng)度優(yōu)選原有長(zhǎng)度的10％～30％。純高分子彈性體優(yōu)選為熱塑性彈性體，更具體為熱塑性聚酯彈性體、聚氨脂熱塑性彈性體、熱塑性硫化橡膠中的一種或幾種。

21、優(yōu)選的，所述s4中，粘膠選用丙烯酸。

22、優(yōu)選的，所述s5中，烘干的溫度為100～150℃，時(shí)間為15～30min。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種高分子材料高靈敏柔性拉力傳感器及其制法和應(yīng)用，其有益效果為：

24、本發(fā)明提供的高分子材料高靈敏柔性拉力傳感器得益于高分子彈性體的出色力學(xué)性能，具有良好的柔性，能夠適應(yīng)各種曲面和形狀，具有良好的可塑性和適應(yīng)性。并且高分子彈性體的剛度較低，不易變形，能夠保持較高的精度和重復(fù)性，可以用于高精度測(cè)量和控制，此外得益于高分子彈性體的耐磨性，制備所得的傳感器具有出色的耐久性，能夠在長(zhǎng)時(shí)間的使用中保持穩(wěn)定性和可靠性，相比較于其他柔性材料，高分子彈性體的成本較低，使得大規(guī)模投入工業(yè)化生產(chǎn)成為了可能。實(shí)施例結(jié)果表明，本發(fā)明提供的高分子材料高靈敏柔性拉力傳感器能夠在微小的應(yīng)變下保持較高的電阻變化。

25、本發(fā)明通過(guò)對(duì)高分子彈性體進(jìn)行均勻拉伸，利用均勻拉伸的彈性體對(duì)高分子蛇形導(dǎo)電薄膜進(jìn)行封裝，封裝完畢后令其自然回彈，得益于外層的回彈以及導(dǎo)電薄膜的蛇形結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到應(yīng)變之后信息功能層的電阻會(huì)變化明顯。電流通路從兩段連接的直線變化成為被壓縮前的蛇形結(jié)構(gòu)，則傳感器的傳感性能得到了很大進(jìn)步。

技術(shù)特征：

1.一種高分子材料高靈敏柔性拉力傳感器，其特征在于，該高分子材料高靈敏柔性拉力傳感器是復(fù)合夾芯結(jié)構(gòu)，包括蛇形排布的導(dǎo)電薄膜和設(shè)置在導(dǎo)電薄膜兩側(cè)的高分子材料外層，蛇形排布的導(dǎo)電薄膜兩端接入電極。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分子材料高靈敏柔性拉力傳感器，其特征在于，所述的蛇形排布的導(dǎo)電薄膜為通過(guò)3d打印預(yù)制備，利用熱壓機(jī)和激光切割機(jī)加工過(guò)的熱塑性聚酯彈性體。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分子材料高靈敏柔性拉力傳感器，其特征在于，所述的高分子材料外層為均勻拉伸后的高分子彈性體材料。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高分子材料高靈敏柔性拉力傳感器，其特征在于，高分子彈性體材料選自熱塑性聚酯彈性體、聚氨脂熱塑性彈性體、熱塑性硫化橡膠中的一種或幾種；和/或，均勻拉伸長(zhǎng)度為原有長(zhǎng)度的10％～30％。

5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的高分子材料高靈敏柔性拉力傳感器，其特征在于，所述的高分子材料高靈敏柔性拉力傳感器，拉伸強(qiáng)度為10.21～11.36mpa，靈敏度為74～480，在應(yīng)變?yōu)?0％時(shí)，電阻變化率為100～9800％，在應(yīng)變?yōu)?％時(shí)能夠循環(huán)2000次，經(jīng)歷循環(huán)載荷時(shí)能夠保持電阻變化穩(wěn)定，受到1～11j能量沖擊時(shí)電阻變化保持在20％～160％。

6.權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的高分子材料高靈敏柔性拉力傳感器的應(yīng)用，用于作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)設(shè)備傳感器或人體監(jiān)測(cè)設(shè)備傳感器。

7.權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的高分子材料高靈敏柔性拉力傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高分子材料高靈敏柔性拉力傳感器的制備方法，其特征在于，所述s1中，3d打印采用的打印技術(shù)為熔融沉積，打印機(jī)噴嘴溫度為150～400℃，底板溫度為10～50℃；和/或，打印所得預(yù)制導(dǎo)電膜厚度為0.5～1mm。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高分子材料高靈敏柔性拉力傳感器的制備方法，其特征在于，所述s2中，熱壓機(jī)溫度為150～300℃，時(shí)間為20～50s，熱壓壓力為2～3mpa；和/或，硫化制備導(dǎo)電薄膜厚度為0.25～0.5mm。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高分子材料高靈敏柔性拉力傳感器的制備方法，其特征在于，所述s3中，蛇形排布的結(jié)構(gòu)形成采用以下技術(shù)方案：采用激光以切割端口為封閉端口交叉切割形成；蛇形排布的結(jié)構(gòu)耦合距離為0.5～2mm，平行耦合距離為4～30mm；和/或，激光切割速度為40～60mm/s，功率為15％～25％；和/或，電極材料選擇鉑、銅、金、銀中的一種或幾種。

技術(shù)總結(jié)
一種高分子材料高靈敏柔性拉力傳感器及其制法和應(yīng)用，屬于柔性傳感器技術(shù)領(lǐng)域。該高分子材料高靈敏柔性拉力傳感器，是復(fù)合夾芯結(jié)構(gòu)，包括蛇形排布的導(dǎo)電薄膜和設(shè)置在導(dǎo)電薄膜兩側(cè)的高分子材料外層，蛇形排布的導(dǎo)電薄膜兩端接入電極。高分子材料外層的是信息功能層，其通過(guò)均勻拉伸處理后，可以利用其自然回彈的特點(diǎn)，帶動(dòng)蛇形排布的導(dǎo)電薄膜壓縮，達(dá)到導(dǎo)電層的電阻突變，進(jìn)而達(dá)到高靈敏傳感，從而能夠適用于絕大部分環(huán)境。

技術(shù)研發(fā)人員：孟慶實(shí),田文韜,韓森森,池騰飛,姬書得,王向明,周志強(qiáng),李雙杉,王朔,劉建邦
受保護(hù)的技術(shù)使用者：沈陽(yáng)航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10