[发明专利]一种自组装超柔性压电传感器及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种自组装超柔性压电传感器及其制备方法和应用，制备方法包括以下步骤：(1)配制BaTiO₃前驱体溶液；(2)制备钛酸钡纳米立方体分散液：将BaTiO₃前驱体溶液进行水热反应后，得到钛酸钡纳米立方体，并将其分散在分散剂中，得到钛酸钡纳米立方体分散液；(3)BaTiO₃/GFF复合材料的制作；(4)BaTiO₃/GFF‑PVDF复合膜的制作；(5)将BaTiO₃/GFF‑PVDF复合膜利用双面导电铜胶带接线封装，即可得到自组装超柔性压电传感器，该柔性传感器用于手写智能识别或智能键盘。与现有技术相比，本发明由于借助自组装技术，器件无需经过高温烧结就能够实现优异的压电性能，同时具有兼具优异力学性能和可贴附任何曲面等优点。

技术领域

本发明涉及压电传感器领域，具体涉及一种自组装超柔性压电传感器及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，自供电式压电传感器在物联网、大数据分析以及智慧城市中各种技术的实现中引起了广泛关注。

然而现有的压电传感器无法兼具优异的压电性能、力学性能和可贴附任何曲面的超高柔韧性。需要复杂高温烧结工艺的压电陶瓷多为刚性，制约了其在柔性可穿戴压电传感器领域的应用。尽管有人提出采用静电纺丝或者3D互连压电陶瓷泡沫的方法可以制备具有一定柔性的钛酸钡陶瓷，但是钛酸钡陶瓷纤维本身的脆性将无法避免。

有机压电材料，如聚偏二氟乙烯(PVDF)及其共聚物，虽然具有极佳的柔性和生物相容性，然而它们的低压电系数限制了压电传感器的性能。有机-无机压电复合材料兼具有良好的压电特性和柔韧性，但是在其有机-无机界面处通常会存在严重的弹性模量失配问题，且无机压电相在基体中非连续，性能提升难。

最近，将经过高温结晶的压电薄膜利用激光剥离技术、标准微加工和软平版印刷技术等，将压电薄膜转移到柔性有机衬底的技术也被用于制备柔性压电器件。显然，两步衬底转移工艺方法在以高耗能和复杂工艺为代价实现柔性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种兼具优异的压电性能、力学性能和可贴附任何曲面的自组装超柔性压电传感器及其制备方法和应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

发明人了解到，自组装是一种自然界普遍存在的现象，广泛存在于高分子材料和生物材料中，在纳米世界和宏观世界之间架起了桥梁。自组装是指纳米颗粒在溶液或气相中自发地吸附在固体表面上所形成的紧密排列的二维有序分子层，因此它具有原位自发形成、成键高度有序排列、缺陷少、结合力强等特点。纳米材料自发组织成高度有序结构的过程决定了自组装过程不需要高能耗和耗时的高温烧结阶段，因此非常适用于耐温性差的柔性衬底。自组装方法已经被应用于微型超级电容器、柔性非易失性存储器、燃料敏化太阳能电池、摩擦纳米发电机等电子设备的制备过程，而在压力传感器领域的应用还较为罕见。考虑到上述事实，使用自组装技术制备柔性压电传感器由于避免了高温烧结过程而具有环境友好性，具有非常大的市场应用潜力，于是提出如下具体方案：

一种自组装超柔性压电传感器的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)配制BaTiO₃前驱体溶液：将钡盐、钛源和碱与溶剂混合，配制成BaTiO₃前驱体溶液；

(2)制备钛酸钡纳米立方体分散液：将BaTiO₃前驱体溶液进行水热反应后，得到钛酸钡纳米立方体，并将其分散在分散剂中，得到钛酸钡纳米立方体分散液；

(3)BaTiO₃/GFF复合材料的制作：将玻璃纤维布(GFF)浸渍到钛酸钡纳米立方体分散液中，待溶剂挥发后，进行退火热处理，得到BaTiO₃/GFF复合材料；