[发明专利]一种高性能rGO/CNF力电传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高性能rGO/CNF力电传感器及其制备方法，本发明包括一组弯曲管道、弹性基体、以及具有流动性的rGO/CNF液态敏感材料；所述弯曲管道横截面为圆形，直径1mm，位于弹性基体内部，采用连续弯曲导线为模板进行构筑；具有流动性的rGO/CNF液态敏感材料设置在弯曲管道内，弯曲管道两端通过电极封堵；其中具有流动性的rGO/CNF液态敏感材料包括CNF三维骨架、rGO微纳粒子和异丙醇；本发明rGO/CNF液态敏感材料具有优异的导电能力和延展能力。同时在弹性基体中引入弯曲管道，这种连续弯曲的管道具有两大优势，既可以增强传感器的延展能力，又基于串联效应大大提升了传感器的灵敏度。

技术领域

本发明涉及一种力电传感器，具体涉及一种高性能rGO/CNF力电传感器及其制备方法。

背景技术

用于健康监测的柔性力电传感器作为一类新的表皮电子元件，在削减医疗支出、减少诊断失误和提高患者舒适度方面都具有巨大的潜力。在各种力电传感机制中，压阻型器件可基于微纳尺度上导电相的接触-分离效应将应变等力学信号即时转换为电阻等电学信号，已成为力电传感的主流机制之一。作为一种典型的压阻材料，还原氧化石墨烯(rGO)纳米结构由于其优异的导电能力和成熟的制备工艺，已初步尝试应用于可穿戴健康监测领域。

尽管基于rGO的力电传感研究发展迅速，但rGO本身不具备高延展性，其力电传感的柔性主要依靠聚合物弹性基体实现。具体技术路径总结为微纳尺寸的rGO粒子分散在聚合物基体中，基体形变引起rGO粒子间距变化，从而促使rGO导电通道减少或增加，以获得变化的电阻信号。但这种技术路径始终存在两个致命的问题：首先是传感器灵敏度不理想，因为聚合物弹性基体会缓冲部分形变，从而使得分布在其深处的rGO感应不到力信号，器件对力信号，尤其是微弱的力信号不够敏感；其次是传感器的工作范围十分有限，由于rGO粒子间距超过一定极限，即使是电子隧穿效应也会失效，届时基体内部rGO导电通道全部断裂，器件电阻无穷大，即超过一定形变量，传感器就会失效。因此，急需开发一种新的技术路径，可同时优化rGO柔性力电传感器的灵敏度和工作范围。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种高性能rGO/CNF力电传感器及其制备方法。

本发明提供一种高性能rGO/CNF力电传感器及其制备方法，该力电传感器的敏感材料为具有超高延展能力的rGO/CNF导电悬浮液。设计思路以绝缘的纳米纤维素(CNF)为三维骨架，以搭载在CNF表面的rGO微纳粒子为导电相，在异丙醇中均匀分散后得到具有流动性的液态敏感材料。该敏感材料被注入到弯曲管道中，即可构筑柔性力电传感器，其中弯曲管道采用模板法在环氧树脂弹性基体内部制备。

一种高性能rGO/CNF力电传感器，包括一组弯曲管道、弹性基体、以及具有流动性的rGO/CNF液态敏感材料；所述弯曲管道横截面为圆形，直径1mm，位于弹性基体内部，采用连续弯曲导线为模板进行构筑；弯曲管道端口平面与基体长度方向平行，弯曲管道垂直截面为多个圆环连接，相邻圆环的开口方向相反，相邻圆环的内外半径相等；相邻两段圆环为一个弯曲数目，弯曲数目为多个；具有流动性的rGO/CNF液态敏感材料设置在弯曲管道内，弯曲管道两端通过电极封堵；其中具有流动性的rGO/CNF液态敏感材料包括CNF三维骨架、rGO微纳粒子和异丙醇；悬浮液的电导率为2～10S/m。

作为优选，所述的CNF三维骨架为白色的绝缘微纳材料，微观形貌为长1～3μm，直径4～10nm的纳米线。

作为优选，所述rGO微纳粒子为粒径大小1～2μm的泡沫状颗粒，厚度为1～3层碳原子层，采用氧化还原鳞片石墨制备。

作为优选，所述弹性基体为15×10×3mm³大小的长方形薄膜，采用双组分的环氧树脂在常温常压下固化得到。

作为优选，所述电极为Al导线，横截面为直径1mm的圆柱，前期作为弯曲管道的模具，管道成型后拉直并置于端口处，封堵管道同时作为外接电极。