[发明专利]一种五模超材料、柔性剪应力传感器及其制备方法、应用

说明书

本发明公开了一种五模超材料、柔性剪应力传感器及其制备方法、应用，五模超材料由若干晶胞组成，每一晶胞由若干个微结构单元从底端边缘通过微结构单元间的公共杆或公共接触面向顶边的对边依次排布而成，使其极限强度范围内具备抗压不抗剪的特性；所述柔性薄膜剪应力传感器包括自上而下设置的上保护层、第一柔性电极、五模超材料薄块、第二柔性电极、下保护层；五模超材料薄块为上述五模超材料；五模超材料薄块、第一柔性电极和第二柔性电极间设有液体电解质，在受压时，第一柔性电极和第二柔性电极间的正对面积发生改变，使得输出的电信号发生变化，标定后可确定剪应力的大小。特别地，柔性剪应力传感器可以在超重力环境下测量剪应力。

技术领域

本发明属于柔性电子技术领域，尤其涉及一种五模超材料、柔性剪应力传感器及其制备方法、应用。

背景技术

剪应力是应力的一种，受力的方向与受力面的法向正交，目前市场上仅存的的剪应力传感器均以弹性元件的形变反映剪应力的实际情况，但因其体积较大、精度较低、仅能够在常重力场景下使用，其应用场景狭隘问题成为剪应力测量中的诟病，同时现有的剪应力传感器通常使用拉力或压力传感器进行间接测量得到剪应力，无法直接得到剪应力。同时当前市面上常见的商用剪力传感器无法将轴向力与剪应力理想化进行有效解耦，进而导致剪应力测量结果与实际受力情况相比产生较大偏差。部分剪应力传感器应用场景狭隘，例如电容式边界层剪应力传感器和壁面剪切应力传感器仅能在流体中使用、水泥基压电复合剪应力传感器仅适用于大体量大位移场景中的剪力监测、应变花剪应力传感器是将应变片测得的应力数值在理论上通过数学关系转化为剪应力，其共同的特点是使用场景单一，不具备普适性，同时测量得到的剪应力数值与实际剪应力数值相比存在较大误差。并且，在超重力环境下常见的传感器敏感元件会受到损害，导致现有的剪应力传感器无法在超重力的环境下使用。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提出了一种五模超材料、柔性剪应力传感器及其制备方法、应用。

为实现上述技术目的，本发明的的技术方案为：本发明实施例的第一方面提供了一种五模超材料，所述五模超材料由若干晶胞组成，每一晶胞为一直四棱柱，每一晶胞由若干个微结构单元从底端边缘通过微结构单元间的公共杆或公共接触面向顶边的对边依次排布而成，使得五模超材料具备抗压不抗剪的特性。

本发明实施例的第二方面提供了一种五模超材料的制备方法，所述五模超材料采用聚合物3D打印技术-立体光刻技术、激光直接书写技术或模具浇筑法制备得到。

本发明实施例的第三方面提供了一种基于五模超材料的柔性薄膜剪应力传感器，包括自上而下设置的上保护层、第一柔性电极、五模超材料薄块、第二柔性电极、下保护层；其中，五模超材料薄块为上述的五模超材料；五模超材料薄块、第一柔性电极和第二柔性电极间设有液体电解质，第一柔性电极或第二柔性电极与五模超材料薄块之间的连线具有夹角，用于在五模超材料薄块受到压力时，液体电解质使得第一柔性电极和第二柔性电极间的正对面积发生改变，通过两极板之间正对面积确定剪应力的大小。

本发明实施例的第四方面提供了一种基于五模超材料的柔性薄膜剪应力传感器的制备方法，所述制备方法具体包括以下步骤：

S1，在上保护层和下保护层的外表面涂有一层柔性耐温涂层；在上保护层和下保护层的内表面涂有一层聚对苯二甲酸乙二醇脂，以防止上保护层和下保护层氧化；

S2，基于碳基、柔性电极材料和纳米金属材料进行复合制备第一柔性电极和第二柔性电极；

S3，将步骤S2制备得到的第一柔性电极、第二柔性电极通过阻尼支座与五模超材料薄块的8个顶点相连；

S4，将液体电解质进行液体封装，注入至第一柔性电极和第二柔性电极间，以包裹五模超材料薄块。

本发明实施例的第吴方面提供了一种基于五模超材料的柔性薄膜剪应力传感器在超重力环境下测量剪应力的应用。