[发明专利]一种基于仿生MXene气凝胶传感材料及其制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种基于仿生MXene气凝胶传感材料及其制备方法及应用，具体步骤包括：(1)有机硅氧烷与二维过渡金属碳化物MXene混合，通过水解反应生成聚硅氧烷合并吸附于MXene片层，形成稳定的均匀分散液；(2)通过冷冻干燥制备多孔气凝胶，微孔壁为聚硅氧烷插层的多层MXene结构；(3)加热反应，聚硅氧烷与MXene形成化学交联，稳定孔壁中纳米孔道结构，制得仿生气凝胶。所制得的压力传感材料受力时，层状孔壁中的纳米孔道优先发生收缩或膨胀，产生电阻变化；本发明的基于该仿生MXene气凝胶的柔性压力传感器，能实现毫帕量级压力及50dB声压的检查，灵敏度达1900kPa^‑1以上，反应时间达毫秒级别。

技术领域

本发明涉及一种压力传感材料和压力传感器的制备方法，具体是一种具有类蜘蛛风琴状传感器官结构的仿生气凝胶的制备方法及超灵敏压力传感器的制备。

背景技术

在未来的传感器技术应用领域中，准确地感觉到例如人体静脉信号或者声波在空气中传输信号等微小的机械力信号是一个必然的趋势和巨大的挑战。在自然界中，蜘蛛可以利用世界上最敏感的力传感器之一——位于蜘蛛腿髌骨下的外骨骼传感器来感知和检测周围环境中的微小机械力和纳米级应变。在此基础上，我们研究了一种基于仿生压阻气凝胶的超灵敏压阻压力传感器，并展示了其惊人的微妙压力传感特性。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于仿生MXene气凝胶的超高灵敏超低压力传感器。

本发明的技术方案是：

一种基于仿生MXene气凝胶传感材料，所述仿生MXene气凝胶材料由二维过渡金属碳化物MXene和有机硅氧烷通过组装和化学交联制备而成；硅氧烷聚合成聚硅氧烷并插入MXene片层中，形成类蜘蛛风琴状传感器官的多级层状孔壁结构；仿生气凝胶受力时，孔壁内的纳米孔道会发生收缩或膨胀，产生电阻变化。

进一步的，所得仿生MXene气凝胶传感材料具有蜂窝状多孔结构，微孔壁厚度为5-100nm，孔壁内多级层状MXene的层间距为1.5-3nm，孔壁长度为50-1500μm；气凝胶密度为0.5-20mg/cm³。仿生MXene气凝胶受到外力刺激时，多级层状孔壁结构中的纳米孔道会优先发生收缩或膨胀，促使电阻变化。所述类蜘蛛风琴状传感器官的多级层状孔壁结构为，线性或网络状聚硅氧烷插入MXene层间，并通过形成Ti-O-Si键与MXene进行化学交联，组装成稳定的具有平行纳米孔道的多级层状孔壁结构。

一种基于仿生MXene气凝胶传感材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)把聚硅氧烷的有机前驱体硅氧烷单体加入MXene水性分散液中，在100-200℃下水热反应2-10小时，硅氧烷单体水解并聚合成聚硅氧烷，并吸附于MXene片层，形成稳定的均匀分散液；

(2)通过冷冻干燥，制备气凝胶多孔结构，形成聚硅氧烷插入MXene片层间的多级层状孔壁结构；

(3)MXene气凝胶在惰气保护下，在100-200℃加热反应1-5小时，聚硅氧烷聚与MXene片层间通过硅烷化反应形成Ti-O-Si键，稳定MXene层间纳米孔道，制得仿生MXene气凝胶。

进一步的，所述有机硅氧烷单体的加入量为MXene质量的2-20wt％；

进一步的，所述MXene水性分散液的浓度为5-20mg/ml；

进一步的，所述MXene与邮寄硅氧烷的均匀分散液，在空气中保存6个月以上，不出现沉淀或MXene氧化降解现象。