[发明专利]一种高灵敏度与宽量程的复合导电纳米纤维气凝胶传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高灵敏度与宽量程的复合导电纳米纤维气凝胶传感器及其制备方法，以热塑性聚合物纳米纤维及导电材料为原料并合理控制其用量比，通过冷冻干燥法制得具有三维结构的纳米纤维气凝胶材料，利用气凝胶材料较低的密度、较高的柔软度、高导电性和可逆的压缩性，使在不同压力范围内具有高灵敏度的不同复合导电纳米纤维气凝胶进行组合，实现各级复合导电纳米纤维气凝胶对不同力值范围内的压力的高灵敏度检测，通过巧妙的多级复合导电纳米纤维气凝胶结构分布，实现了传感器在小压力直至大压力范围内的全量程高灵敏度，且实现了宽量程，解决了灵敏度与量程之间的对立矛盾，大大提高了此类传感器的性能，丰富了此类传感器的应用场景。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种高灵敏度与宽量程的复合导电纳米纤维气凝胶传感器及其制备方法。

背景技术

灵敏度和量程是传感器的两个重要性能参数，两者一般为相互制约的对立关系，这在很多场合不能满足人们对这两方面的综合需求。《磁致链化对磁流变弹性体压阻效应的影响》.复合材料学报.2017(9)和《Piezo-capacitive behavior ofmagneticallystructured particles based conductive polymer with highsensitivity and awide working range》.Journal ofMaterials Chemistry C，2018,6(20)等文献中指出一种磁性金属颗粒填充的导电橡胶，在成型过程中施加磁场实现对填充粒子的空间分布进行调控，材料呈现的压阻效应及压容效应非常显著。因此，由微小导电(且/或导磁)颗粒混合绝缘性有机体的磁流变弹性体(实为导电复合材料)成为了一种新型的压容/压阻式压力或应变敏感材料，原理是微观上导电颗粒的空间分布在压力/应变压缩作用下发生重新排列，从而显著地改变敏感材料的介电常数或电导率，由此制作的压力/应变传感器具有宽量程和较好的灵敏度。特别地，在磁场条件下制备的该型导电复合材料，通过在微观上建立磁致链化型微观结构，可获得相比传统敏感材料高一至两个数量级的超高灵敏度，同时因颗粒填充增大的杨氏模量使之具备宽量程。然而，此类导电复合材料的高灵敏度体现在大压力范围内，而在初始阶段的小压力范围内的灵敏度并不理想。颗粒重排度是影响此类导电复合材料灵敏度的关键因素，即宏观上的压力作用使材料挤压变形，导致微观上的颗粒分布发生重新排列，以致邻近颗粒重新配对成大量新的微电容器或通道，从而剧烈地影响着敏感材料的宏观电容或电阻。因此，颗粒重排的大规模发生，依赖于压力作用时材料的宏观应变是否明显，这也正是在初始阶段小压力范围内的灵敏度偏小的原因所在。

为了克服上述技术缺陷，研究者提出通过提高颗粒体积分数和使用纳米颗粒填充(两者都是增大颗粒重排的颗粒数量)、采用磁致链化的制备条件(增大局部颗粒体积分数)来提高灵敏度，但所受益的灵敏度提升仍然主要是在大压力范围，而小压力范围内的灵敏度依旧难以满足要求，尤其填充纳米颗粒的方法还会明显地降低量程。由此可见，单纯改变材料配方很难兼顾灵敏度和量程之间的平衡，且工艺上的难度及成本较高。在颗粒体积分数一定的条件下，敏感材料易变形将提升颗粒重排度(由此提升灵敏度)、而变形困难意味着增大敏感材料抵抗外界压力的上限(即增大了量程)，其他柔性敏感材料一般也具有这一特征。针对这一事实，需要一种高灵敏度与宽量程压力传感器。

此外，一种敏感材料通常仅在某个压力范围内具有高灵敏度，而在低于此压力范围时灵敏度较低，在高于此压力范围时灵敏度也较低或已产生饱和。因此，倘若利用在不同压力范围内具有高灵敏度的敏感单元进行组合，便可以实现在从低至高压力整个范围内的高灵敏度，且依旧获得宽量程，而此结构组合的关键是如何使不同敏感单元以一定次序在其有效压力范围内受压而发挥作用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的针对压力传感器用敏感材料易变形将提升传感器灵敏度，而敏感材料变形困难将增大传感器量程的这一特性，或使在不同压力范围内具有高灵敏度的不同敏感材料进行结构组合，提供一种从小压力至大压力整个范围内均具有高灵敏度，并能够保持宽压力量程的高灵敏度与宽量程的复合导电纳米纤维气凝胶传感器及其制备方法。