[发明专利]基于石墨烯复合薄膜材料的层状结构应变传感器及其制造

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯纳米材料领域，尤其是涉及一种基于石墨烯复合薄膜材料的层状结构应变传感器及其制造。

背景技术

应变传感器是基于测量物体受力变形所产生的应变的一种功能型器件，在损伤探测和结构监测等方面有着广泛的应用。传统的应变传感器主要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而来。然而传统应变传感器的科技水平在过去的几十年里都没能实现重大突破。由于传统应变传感器自身存在的缺陷(韧性较差等)以及在大应变、复杂结构的监测等方面的应用越来越不能满足人们的需求。因此高敏感、低成本、可便捷使用的应变传感器的研制十分必要。

石墨烯是由单层碳原子构成的六方蜂窝状的准二维晶体材料。由于石墨烯同时具有优异的力学、电学、热学和光学特性，因此其在纳米电子器件领域具有潜在的应用价值和广阔的应用前景，特别是在应变传感领域。相比于传统应变传感器，由于结合了高弹性和优异的电学性能，石墨烯基应变传感器具有非常突出的机电性能。目前其制备方法主要是基于CVD法制备石墨烯基应变传感器(Li X,Zhang R,Yu W,Wang K,Wei J,Wu D,Cao A,Li Z,Cheng Y,Zheng Q.Stretchable and highly sensitive graphene-on-polymer strain sensors.SciRep 2012,2:870；Zhao J,He CL,Yang R,Shi ZW,Cheng M,Yang W,Xie GB,Wang DM,Shi DX,Zhang GY.Ultra-sensitive strain sensors based on piezoresistivenanographene films.ApplPhysLett 2012,101:063112；Zhao J,Wang GL,Yang R,Lu XB,Cheng M,He CL,Xie GB,Meng JL,Shi DX,Zhang GY.Tunable piezoresistivity of nanographene films for strain sensing.ACS Nano 2015；9(2):1622-1629.)。通过这种方法制备的石墨烯基应变传感器具有较高的敏感度，但CVD法由于制备工艺复杂、成本高、生产周期长等缺陷限制了其工业化应用潜力。另外在实际应用过程中石墨烯基应变传感器与待检测物接触界面容易分离，难以满足实际的应用需求。

针对以上这些问题，本发明利用喷涂方法，设计、制造一种可与待检测物一体化的基于石墨烯/乳液复合薄膜材料的层状结构应变传感器。

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基于石墨烯复合薄膜材料的层状结构应变传感器及其制造。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于石墨烯复合薄膜材料的层状结构应变传感器的制造方法，包括以下步骤：

(1)在待检测物上喷涂聚合物乳液，制备形成乳液涂层；

(2)配制石墨烯分散液，在聚合物乳液涂层上继续喷涂石墨烯分散液，制备形成石墨烯薄膜，乳液涂层与石墨烯薄膜组成层状复合薄膜；

(3)在层状复合薄膜的两端，接入导线，连接上电学测试设备，得到与待检测物一体化的基于石墨烯复合薄膜材料的层状结构应变传感器。

步骤(1)所述的聚合物乳液为苯丙乳液，固含量40～60％，粘度80～2000mPa·s，pH值6～11。聚合物乳液喷涂用量为100～1000g/m²。

步骤(2)所述的石墨烯分散液浓度为0.001～4mg/mL。石墨烯分散液喷涂用量为0.1～10g/m²。作为优选方式，在石墨烯分散液中加入表面活性剂，所使用的表面活性剂有十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、胆酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙二醇对异辛基苯基醚、失水山梨醇单油酸酯聚氧乙烯醚。通过控制石墨烯分散液的喷涂用量来调控石墨烯应变传感器的敏感度。

步骤(3)中利用导电胶接入导线，所述的导电胶为导电银浆或石墨填充型导电胶。所用导线为铜线，电学测试设备为数字万用表或四探针测试仪。

应变敏感度GF(gauge factor)是表征应变传感器性能的一个重要参数，可通过以下公式得出：

其中ΔR/R是器件的电阻变化量，ε是应变。

本发明还涉及一种采用上述方法制造的基于石墨烯复合薄膜材料的层状结构应变传感器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：