[发明专利]一种柔性石墨烯基压阻传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种柔性石墨烯基压阻传感器，包括柔性聚合物基底层、石墨烯‑聚合物复合层、金属电极和聚合物保护层，所述石墨烯‑聚合物复合层置于柔性聚合物基底层和保护层之间，所述金属电极连接在石墨烯‑聚合物复合层顶面的两端；所述石墨烯‑聚合物复合层包括两层，下层为石墨烯扩散于经有机溶剂溶胀的柔性聚合物基底层而形成的石墨烯‑聚合物复合层上层；上层为涂覆聚合物保护层时聚合物渗透填塞石墨烯多孔网状结构薄膜中的孔隙而形成的石墨烯‑聚合物复合层下层。本发明的柔性石墨烯基压阻传感器，柔韧性好、量程大、灵敏度高、压阻重复性好且能耐久使用。

技术领域

本发明属于压阻传感器技术领域，具体涉及一种柔性石墨烯基压阻传感器及其制备方法。

背景技术

在工程结构应变测量和损伤监测中，主要使用的传感器有电阻应变片/计和光纤光栅应变计两种。传统的电阻应变片/计是利用金属材料或半导体材料的几何形变以及压阻效应制备得到。由于金属和半导体材料自身属性的限制，导致传感器量程小、耐久性差、易损坏。而光纤光栅应变计又由于接入设备复杂且价格高昂难以密布。因此，研制一种能适应工程结构特点的大量程、高机敏性和耐久使用的传感器十分必要。

石墨烯是一种由碳原子组成六角型呈蜂巢晶格的二维纳米材料，具有优异的力学和电学性能。在受到外力载荷作用时，石墨烯膜边缘区域的六角蜂窝结构会发生破坏，从而引起电阻的变化。另外石墨烯纳米粉末可以作为导电填料与聚合物复合形成导电高分子复合材料，导电填料通过隧道效应或接触传导形成导电通路，当复合材料发生形变时，导致导电通路发生变化，从而引起复合材料电阻发生变化，且高分子聚合物柔韧性好、成本低、易于加工。石墨烯及其复合材料的压阻特性使其在传感器上的应用成为可能。

CN 106643460 A公开了一种石墨烯基应变传感薄膜及其制备方法和应用，以石墨烯水性分散液喷涂于丙烯酸酯乳液基底上形成应变传感薄膜。该方法得到的石墨烯薄膜的纳米片层是通过物理方法堆积于丙烯酸酯乳液基底上，且由于石墨烯在水中的分散性较差，容易团聚导致纳米片层堆积不均匀和紧密，容易从基底上脱落，传感元件与基底之间变形有滞后，性能不稳定，且量程有限。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种柔性石墨烯基压阻传感器，该压阻传感器柔韧性好、量程大、灵敏度高、压阻重复性好且能耐久使用。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种柔性石墨烯基压阻传感器，包括柔性聚合物基底层、石墨烯-聚合物复合层、金属电极和聚合物保护层，所述石墨烯-聚合物复合层置于柔性聚合物基底层和保护层之间，所述金属电极连接在石墨烯-聚合物复合层顶面的两端；

所述石墨烯-聚合物复合层包括两层，下层为石墨烯扩散于经有机溶剂溶胀的柔性聚合物基底层而形成的石墨烯-聚合物复合层下层；上层为涂覆聚合物保护层时聚合物渗透填塞石墨烯多孔网状结构薄膜中的孔隙而形成的石墨烯-聚合物复合层上层。

优选的，所述柔性聚合物基底层和聚合物保护层由橡胶类聚合物、聚烯烃类聚合物或树脂类聚合物构成。

更优选的，所述的橡胶类聚合物为硅橡胶、天然橡胶、丁基橡胶或丁苯橡胶；所述的聚烯烃类聚合物为聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯或聚苯乙烯；所述的树脂类聚合物为环氧树脂、丙烯酸酯或酚醛树脂。

优选的，所述的柔性聚合物基底层的厚度为0.05～2.00mm，石墨烯-聚合物复合层的厚度为0.5～50μm，聚合物保护层的厚度为0.05～2.00mm。

优选的，所述石墨烯-聚合物复合层上层与石墨烯-聚合物复合层下层的厚度比为1:1～10:1。

优选的，所述的石墨烯为单层、少层或多层石墨烯纳米粉末，石墨烯厚度为1～8nm，片层直径为0.5～50μm，层数为1～10层。

优选的，所述石墨烯多孔网状结构薄膜中的孔隙率为10％～20％。