[发明专利]一种可识别应变方向的蛛网状柔性应变传感器及制备方法

说明书

本发明公开一种可识别应变方向的蛛网状柔性应变传感器及制备方法，包括以下步骤：将导电填料、热熔型粘合剂与N,N‑二甲基甲酰胺溶剂混合进行超声分散得到分散液；将颗粒状热塑性聚合物放入螺杆挤出机，挤出纯热塑性聚合物丝材；利用卷丝辊牵引装置，牵引丝材匀速通过分散液，在其表面形成一层均薄的导电层，待完全干燥后，利用3D打印机将丝材打印成蛛网型阵列；将导线用导电银胶固定在蛛网中心和纵丝末端，制成蛛网状柔性应变传感器。本发明不仅快速制备了蛛网型定制结构，该传感器还具有对应变方向识别的功能，同时具备高线性度、高灵敏度、宽应变范围、快速响应、低迟滞性和良好稳定性等优势，在可穿戴设备的应用中具有较大的潜力。

技术领域

本发明涉及一种可识别应变方向的蛛网状柔性应变传感器及制备方法，属于柔性应变传感器技术领域。

背景技术

近年来，随着可穿戴电子设备的发展，作为可穿戴电子设备核心的柔性应变传感器因为其广泛的应用而备受人们的关注。柔性应变传感器相比较于传统的应变传感器，具有高柔性、高灵敏度、大应变工作范围以及良好的生物相容性，在可穿戴电子、生物医学、软机器人等领域有着巨大的潜力，因此，柔性应变传感器具备着更大的潜在市场价值。柔性应变传感器是由导电纳米填料和弹性基底材料两部分组成，其中导电纳米填料包括碳纳米管、炭黑、石墨烯、碳纤维、金属纳米线、金属纳米颗粒和导电聚合物，弹性基底材料包括热塑性聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、聚烯烃、橡胶等。虽然现在已有了诸多方法对具有高灵敏度、大应变测试范围的柔性应变传感器进行了研究，但以上柔性应变传感器都只能监测单一的应变方向，极大程度地限制了柔性应变传感器的应用。对此，为了实现可识别多应变方向的柔性应变传感器，我们设计了一个特殊的结构——蛛网型阵列。

然而，柔性应变传感器在传统的制备方法中普遍存在着一些问题，比如传统制备方法制作的柔性应变传感器周期冗长；在制作复杂结构的应变传感器时，步骤繁多且精度不高，无法实现量产化；而且大多数应变传感器的制作是需要模具的，特别是对于一些定制结构或者是特殊环境工作的应变传感器，模具的开发制作极大程度的限制了工业生产的经济效益；同时在一些柔性应变传感器的制备方法过程中，会产生对环境有害的物质，对环境的保护有着负面的影响。在工业生产所面对的一系列挑战，我们提出运用3D打印技术，以制备可识别应变方向的蛛网状柔性应变传感器。相比较于柔性应变传感器的传统制备方法，3D打印作为新兴的制备方法，具有简单方便、快速制备、成型精度高、不产生对环境有害的副产物以及无需模具可定制量产的特点。因此，本发明采取3D打印技术制备蛛网状柔性应变传感器。

发明内容

本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出一种可识别应变方向的蛛网状柔性应变传感器及制备方法，该方法制备的蛛网状柔性应变传感器不仅可识别多方向的拉伸应变，同时具备着高线性度、高灵敏度、高拉伸等性能。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种可识别应变方向的蛛网状柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：

S1、将导电填料、热熔型粘合剂与N,N-二甲基甲酰胺溶剂混合后进行超声分散，得到分散液；

S2、将干燥后的颗粒状的热塑性聚合物通过单螺杆挤出机挤出纯热塑性聚合物丝状耗材；

S3、利用卷丝辊牵引装置，牵引纯热塑性聚合物丝状耗材匀速通过分散液，在其表面形成一层均薄的导电层，待完全干燥后，利用桌面熔融沉积成型3D打印机将所得丝材打印成蛛网型阵列；

其中蛛网型阵列，该蛛网型阵列分为横丝和纵丝，横丝贯穿整个蛛网型阵列，为蛛网型阵列提供支撑，增强其结构稳定性，但数量不宜过多(约为2～5条)，以免减弱应变方向的信号强度。纵丝则为应变传感器提供方向识别精度，在保证结构完整的情况下，纵丝数量越多，其识别精度越高。其工作原理如下：沿着蛛网型阵列某一方向做应变拉伸测试，其内部导电网络发生不同程度的变形、破坏，通过蛛网中心和纵丝末端连接的电极，转换为相应的电信号输出，反映在不同电极上的相对电阻变化，从而实现识别应变方向的功能；