[发明专利]一种多孔柔性GNP/PDMS复合材料及其制备方法和在应变传感器中的应用

说明书

本发明公开了一种多孔柔性GNP/PDMS复合材料及其制备方法和在应变传感器中的应用。该多孔柔性GNP/PDMS复合材料的制备方法为先将GNP纳米片与红糖颗粒模板原位混合后，依次经过压制成型、负压促渗PDMS、以水为溶剂进行超声洗涤脱除红糖颗粒模板，再进行干燥处理，获得多孔柔性GNP/PDMS复合材料。利用该多孔柔性GNP/PDMS复合材料制备的应变传感器与常规固体机械混合所得GNP/PDMS复合材料制备的传感器相比较，具有更高的灵敏度和较宽的线应变范围，特别适用于柔性可穿戴器件及航空构件的智能监测。

技术领域

本发明涉及一种GNP/PDMS复合材料，具体涉及一种具有较好力学与传感性能的多孔柔性GNP/PDMS复合材料，还涉及其制备方法和多孔柔性GNP/PDMS复合材料用于制备适合柔性智能可穿戴器件或航空构件的智能监测应用的应变传感器，属于传感器复合材料技术领域。

背景技术

当今社会，电阻式应变传感器开始收到研究者们的广泛关注，不断进行创新并打破传统思路，引入了新的传感原理。其中最为常见的是由导电填料充当敏感材料，而由于聚合物本身几乎不具有导电性，电阻式应变传感器中唯一能形成导电网络只有敏感材料，因此敏感材料在聚合物中分散而形成导电网络，该导电网络也就是电阻式应变传感器中起到传感作用的传感网络，施加力或形变载荷后，电阻式应变传感器随之变形，其传感网络也随之发生变化，因此其传感性能就主要取决于敏感材料与敏感材料之间抵抗接触或分离的能力如何。

近年来，柔性应变传感器的材料选择主要围绕基体材料与敏感材料这两个方面进行研究，柔性应变传感器一般由基体材料(衬底材料)与敏感材料混合制备而来。原理是将敏感材料引入柔性基体材料中形成传感网络，从而制备得到兼具柔性与功能性的柔性应变传感器，需要关注两个方面：一是具有良好柔性、可拉伸性与电绝缘性的基体材料(衬底材料)，另一个是对传感器起到传感作用，决定其功能性优良与否的敏感材料。

在微流控、水油分离、医疗康复、可穿戴设备、生物细胞与组织工程、生物医学检测、智能机器人的触觉人工皮肤等应用领域常见的多孔制备方法是使用造孔剂的模板法。目前在制备柔性应变传感器的多孔基体时尝试过的造孔剂包括糖、盐、水、NaHCO₃和NH₄HCO₃等。其中，使用糖或盐做为致孔剂来制备多孔的制备方法是近年来应用最为广泛的，由于在使用该方法时用到的工序少、工艺简单、制备方便、成本低、且对环境无污染等优点，一直受到研究者们的重点关注；相较而言，在以水、NaHCO₃和NH₄HCO₃为致孔剂时，由于无法如同糖或盐一样通过控制其粒径来控制多孔结构的孔径，因此导致制备出的多孔粒径无法准确控制，极大的限制了以这些材料为制孔剂制备的多孔结构材料在各个领域中的应用。

在柔性电子器件的应用领域中，研究者们希望能够获得结构更为微小、更为奇特的多孔PDMS。于是，除了以糖、盐、水、NaHCO₃和NH₄HCO₃等材料为致孔剂制备多孔PDMS外，研究者们也研究出了大量极具创新性的制备方法。比如，研究人员通过加压蒸汽制备多孔结构或用Ni金属泡沫制备多孔结构。上述多孔结构制备方法都极有创新性，相较于传统方法而言，可以得到更为独特与微小的多孔PDMS结构，但由于使用这些制备方法的使用价格较为高昂，且都多少涉及了一些对环境污染大或比较复杂的制备工艺，不利于低成本大规模的应用。

发明内容

针对现有技术中柔性应变传感器存在的技术缺陷，本发明的第一个目的是在于提供一种具有高稳定性隔离导电网络结构的多孔柔性GNP/PDMS复合材料，利用该复合材料制备的应变传感器件具有较高的灵敏度和较宽的线应变范围，特别适合用于智能可穿戴及航空构件的智能监测。

本发明的第二个目的是在于提供一种制备多孔柔性GNP/PDMS复合材料的方法，该方法工序少、工艺简单、制备方便、成本低，且对环境无污染，有利于大规模生产。