[发明专利]一种纤维状Ti3

说明书

本发明涉及一种纤维状Ti₃C₂MXene基的扭转角度传感器及其制备方法。该传感器以Ti₃C₂纳米片作为应变敏感性材料，通过将其组装到泡沫纤维的骨架上，并使用柔性聚合物作为提供大变形的基底，制备得到具有扭转响应特性的传感器。该纤维状扭转角度传感器通过对扭转形变下的电信号的实时监测，可给出不同转速下对应的扭转角数值，并且具有易制备、性能稳定、可循环多次使用的特点，由于新型二维纳米材料Ti₃C₂具有良好的导电性，合成方便，并且可通过浸没吸附自组装的方式直接在多孔纤维的骨架表面沉积，获得基于Ti₃C₂的、具有扭转角度响应的柔性多孔导电纤维；改进了传感器的结构并提升了其性能，灵敏度好，提高了抗破坏性。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种纤维状Ti₃C₂ MXene基的扭转角度传感器及其制备方法。

背景技术

扭转是日常生活中普遍存在的一种运动，如车辆的转向系统、石油勘探中的扭矩杆、人造心脏监护仪、人造肌肉以及机器人中的旋转部件等。有扭转变形就会伴随角度的产生，而大多数角度传感器是复杂的，刚性的，高成本的和笨重的(如ZL2015102087894，ZL2015102764090等)。为了适应新一代柔性角度传感器的需求以及进一步提高传感器的性能，具有高应变敏感性的新材料被相继开发出来。扭转变形与在物体上产生线性应变的拉伸变形不同，扭转变形会同时导致其表面上的法向应变和剪切应变。因此，在用于扭转变形传感器的开发中依然存在新的挑战。

目前，用于扭转角度传感器的结构主要为将应变敏感性的导电材料缠绕在柔性棒的表面。如日本国家先进工业科学技术研究院的Kenji Hata等(Torsion-sensingmaterial from aligned carbon nanotubes wound onto a rod demonstrating widedynamic range,ACS Nano 2013,7,3177–3182)通过化学气相沉积法生长出导电的碳纳米管(CNT)薄膜，然后将其按照一定的取向卷绕在直径为3mm的PDMS弹性体棒材表面，继而在CNT包覆层的两端连接电极来制作传感器。通过PDMS棒的可控扭转带动CNT膜内部结构的破坏及修复，产生响应的电信号变化，从而实现对扭转角度的监测。清华大学的朱宏伟等(Torsion sensors ofhigh sensitivity and wide dynamic range based on agraphene woven structure,Nanoscale 2014,6,13053–13059)采用化学气相沉积法制备出导电石墨烯织物(GWF)，然后将其转移并粘结到PDMS弹性纤维的表面。此时，PDMS纤维的扭转将带动GWF结构的改变，继而在纤维的两端产生响应的电信号变化，以此来传感纤维的捻角变化情况。除了这类薄膜状扭转应变敏感性材料外，一维纤维状应变敏感材料也被用于扭转角度传感器的研制。如中国科学院上海硅酸盐研究所的王冉冉等(A stretchableand highly sensitive graphene-based fiber for sensing tensile strain,bending,and torsion,Advanced Materials,2015,27,7365–7371)以高弹性聚氨酯(PU)芯纤维和螺旋缠绕的聚酯纤维组成的复合纤维为弹性支架，经过空气等离子体刻蚀后，在其表面负载还原石墨烯(RGO)涂层。继而组装电极，制备成扭转角度传感器。该传感器也是基于芯部纤维的扭转变形，引起表面RGO导电涂层的结构变化，以致复合纤维传感器的监测电信号发生改变，进而实现对纤维的扭转角度进行传感的目的。2017年，孟凡成等(Ahighlytorsionable fiber-shaped supercapacitor,Journal ofMaterials ChemistryA,2017,5,4397–4403)用取向CNT薄膜缠绕在高弹硅橡胶纤维的表面，实现了大捻角下(0～160π弧度)扭转角度的传感。综上可见，现有研究报道的扭转角度传感器的共同点都是将导电性薄膜包覆在实心结构的弹性纤维的表面，利用芯部纤维的弹性扭转，引发壳层导电薄膜的结构破坏，再通过电信号的改变来传感扭转程度，对扭转角度传感器的发展具有重要的理论和应用贡献。