[发明专利]木基材水下电容式机械波传感材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种木基材水下电容式机械波传感材料及其制备方法和应用，该制备方法包括电极的制备以及介电层的制备，电极的制备包括：将脱除木质素的木材经碳化后，负载导电聚合物；介电层的制备包括：S1、将树脂微结构模型浸入PDMS预聚液中，加热固化后脱模，得到PDMS模具；S2、将凝胶单体加入碳纳米纤维浆中，然后向其中加入两性离子单体和盐酸的混合溶液，再加入助剂，得到CNF复合离子凝胶预聚液，然后将预聚液导入PDMS模具中，加热聚合后脱模。本发明采用具有微结构的CNF复合离子凝胶作为介电层、碳化木作为电极，制备了具有优异的机械性能和感应性能的传感材料，凝胶介电层的微结构与碳化木的孔隙结构之间存在一定的相互作用，大大提高了传感器的灵敏度。

技术领域

本发明涉及机械波传感材料，具体地，涉及一种木基材水下电容式机械波传感材料及其制备方法和应用。

背景技术

海洋环境是地球环境的重要组成部分，也是全球生命支持系统的重要组成部分。它同时在全球水循环，气候变化中起到重要的作用。海洋不仅记录了海陆相互作用的过程和海陆变迁的历史，还记录了气候演化旋回和沉积过程，在洋底和边缘海盆地中还记录了板块裂离产生，运动和俯冲消亡的历史，海洋为研究古气候学、古环境学、地质学、地貌学和板块构造提供了重要的素材。

近年来，由于海洋中蕴藏着丰富的油气资源和丰富的矿产资源，人们对海洋勘探的兴趣越来越大。全球的海洋面积为36100万平方公里，体积为13.7亿立方公里。蓄积水量占地球水体总水量的96.53％，占地球表面积2/3以上达到了71％，为了满足海洋探测和军事的需要，越来越多的传感器被开发出来，可以在各种水域和海洋环境中私下传输信息，不受干扰。海水可以腐蚀金属，而海水在不同深度的氧含量、温度、pH值、盐度、生物活性、电导率和流速的变化会加速这种腐蚀。因此，为了在海洋环境中正常工作，传感器必须采用耐腐蚀材料制成，以便这些传感设备能够在恶劣的海水条件下连续输出信号。

多年来，镍基高温合金材料在可靠性和无故障运行方面一直是海洋探测传感材料的理想选择。虽然这些合金完全抵抗局部腐蚀和氧化和还原性介质，但是它们的造价是非常昂贵的。除了合金等传统的水下探测材料外，一些新的海洋探测材料也在研究中。Che1等人描述了一种结构凝胶复合方法，通过在导电水凝胶/Mxe1e表面创建疏水L1pogel薄层，然后开发一种具有独特防水特性的鲁棒传感策略，用于水下环境。Zhou等人通过将一种易变形的金属纳米粒子网络集成到水凝胶基质中，作为无腔麦克风来探测水下声波。这些成果的提出有效缓解了海洋探测方面所面临的严峻形式。然而，这些传感器仍然存在检测范围窄、灵敏度低、信号不稳定和成本高的问题。这些问题的存在极大程度阻碍了人们对海洋的探测与开发，也无法满足人们对海底探测和利用的需求。

发明内容

针对上述水下传感器存在检测范围窄、灵敏度低、信号不稳定和成本高的问题，本发明提供了一种木基材水下电容式机械波传感材料及其制备方法和应用，该传感材料采用了碳化木作为电极，充分利用了其导电性能和表面孔隙结构，采用具有微结构的抗润胀CNF离子凝胶作为介电层，通过碳化木与微结构CNF离子凝胶介电层间接触产生的电容信号的变化，将水下环境的各类机械波变化可视化表达，以此实现电容器对外界环境变化的探测，并将电容器作为刺激-响应机制的承载物，实现了对力的超敏感应。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种木基材水下电容式机械波传感材料的制备方法，该制备方法包括电极的制备以及介电层的制备，其中，

所述电极的制备包括：将脱除木质素的木材经碳化后，负载导电聚合物，得到导电碳化木电极；

所述介电层的制备包括：

S1、将树脂微结构模型浸入PDMS预聚液中，加热固化后脱模，得到PDMS模具；