本發(fā)明涉及拉伸應(yīng)變泡沫傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種具有超寬拉伸應(yīng)變傳感范圍的泡沫傳感器及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、柔性傳感器在可穿戴電子和人機交互領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，發(fā)展迅速。應(yīng)變傳感器由于成本低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點得到了人們廣泛的關(guān)注?；诮饘俸桶雽?dǎo)體材料的傳感器，由于其較差的拉伸性，通常具有較低的應(yīng)變響應(yīng)范圍，限制了其在許多場景中的應(yīng)用。得益于彈性體優(yōu)異的拉伸性和拉伸回復(fù)率，其通常被用作應(yīng)變傳感器的基體(如聚烯烴彈性體(poe)，聚二甲基硅氧烷(pdms)和熱塑性聚氨酯(tpu))。具有寬響應(yīng)范圍和高靈敏度的拉伸應(yīng)變傳感器仍然是一個主要的發(fā)展方向。

2、多孔結(jié)構(gòu)傳感器由于重量輕、透氣性好，近年來得到了廣泛的發(fā)展。它們主要通過冷凍干燥、模板法、浸漬、刻蝕和化學(xué)氣相沉積(cvd)等方法制備，并逐漸面臨復(fù)雜的工藝和有機溶劑的使用。然而，實現(xiàn)具有寬應(yīng)變范圍的多孔柔性電子器件是一個很大的挑戰(zhàn)。jeong等人通過cvd方法制作了多孔結(jié)構(gòu)的柔性傳感器，但拉伸率低，僅為77％應(yīng)變。wang等人采用鹽模板法制備了tpu/mwcnts@mxene泡沫傳感器，其靈敏度為363，但應(yīng)變檢測范圍僅為100％。gong等和yuan等報道的多孔傳感器的檢測范圍分別為250％和221％應(yīng)變，但仍有待進一步改善。zhang等人雖然通過冷凍干燥開發(fā)了超寬響應(yīng)范圍(1200％應(yīng)變)的負泊松比多孔超材料，但其靈敏度較低，在1200％應(yīng)變下的相對電阻變化僅為～60。因此，對超寬檢測范圍和高靈敏度的柔性多孔傳感器提出了迫切的要求。

3、寬工作范圍的傳感器通常要求具有良好的拉伸性和高導(dǎo)電性。然而，在隨機分布結(jié)構(gòu)導(dǎo)電彈性體復(fù)合材料(cecs)中，高導(dǎo)電性的復(fù)合材料需要加載大量導(dǎo)電填料，但其拉伸性能卻嚴重惡化。雖然導(dǎo)電填料少的cecs拉伸應(yīng)變大，但電導(dǎo)率低。因此，需要在良好的拉伸性和高導(dǎo)電性之間進行權(quán)衡。此外，導(dǎo)電填料的類型對傳感器的工作范圍起著至關(guān)重要的作用。普遍地，低長徑比的導(dǎo)電填料表現(xiàn)出高逾滲閾值和低導(dǎo)電性。此外，由于高縱橫比，1d填料通常比2d和0d填料具有更低的靈敏度。因此，高長徑比導(dǎo)電填料有利于提高傳感器的工作范圍。碳納米結(jié)構(gòu)(cns)是一種新型的支化多壁碳納米管，具有高長徑比。超臨界co2(scco2)發(fā)泡以scco2為發(fā)泡劑，是一種簡單、綠色環(huán)保的制備多孔材料的方法。用scco2發(fā)泡法制備壓縮傳感器的研究較多，但對拉伸應(yīng)變傳感器的研究較少。

4、綜上所述，研制一種具有超寬工作范圍和高靈敏度的多孔拉伸應(yīng)變傳感器具有重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述技術(shù)問題以及本領(lǐng)域存在的不足之處，本發(fā)明提供了一種具有超寬拉伸應(yīng)變傳感范圍的泡沫傳感器及其制備方法和應(yīng)用。

2、下面展開介紹本發(fā)明技術(shù)方案：

3、[1]一種具有超寬拉伸應(yīng)變傳感范圍的泡沫傳感器的制備方法，包括步驟：

4、(1)將微米級的基體粒子與導(dǎo)電填料加入到帶有鋼珠的滾筒中，進行機械混合，使導(dǎo)電填料均勻涂敷到基體粒子表面，得到復(fù)合粒子；

5、(2)將所述復(fù)合粒子于平板硫化機中熱壓縮成型，得到具有隔離結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料；

6、(3)將所述復(fù)合材料在物理發(fā)泡劑中保溫保壓、泄壓發(fā)泡、冷卻定型，得到所述具有超寬拉伸應(yīng)變傳感范圍的泡沫傳感器；

7、所述泡沫傳感器的厚度為0.1～1mm，進一步為100～700微米，例如為0.1mm、0.3mm、0.5mm、1mm中的任意值或上述任意兩者之間的范圍值；

8、所述泡沫傳感器具有多孔結(jié)構(gòu)，且所述泡沫傳感器在其厚度方向上呈現(xiàn)出泡孔尺寸從兩端面到中心逐漸變大的梯度結(jié)構(gòu)。

9、本發(fā)明制備方法需要使用微米級小尺寸的基體粒子才能制得上述厚度的泡沫傳感器，本發(fā)明泡沫傳感器只有在上述厚度下才能表現(xiàn)出在厚度方向上泡孔尺寸從兩端面到中心逐漸變大的梯度結(jié)構(gòu)并具有超寬拉伸應(yīng)變傳感范圍。

10、本發(fā)明的基體粒子由于尺寸小，與導(dǎo)電填料混勻難度大，簡單干混難以實現(xiàn)導(dǎo)電填料選擇性均勻分布在微米級的基體粒子間界面。為了使微米級小尺寸的基體粒子能夠與導(dǎo)電填料充分混勻，本發(fā)明制備方法利用帶有鋼珠的滾筒以實現(xiàn)基體粒子與導(dǎo)電填料的充分混勻。按照本發(fā)明的制備方法，所述泡沫傳感器中，導(dǎo)電填料選擇性均勻分布在微米級的基體粒子間界面，構(gòu)成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。

11、[1]所述的具有超寬拉伸應(yīng)變傳感范圍的泡沫傳感器的制備方法，步驟(1)中，所述基體粒子可包括熱塑性聚氨酯彈性體粒子、熱塑性聚酰胺彈性體粒子、熱塑性聚酯彈性體粒子、聚烯烴彈性體(poe)粒子、天然橡膠粒子中的至少一種，優(yōu)選包括聚烯烴彈性體(poe)粒子。

12、[1]所述的具有超寬拉伸應(yīng)變傳感范圍的泡沫傳感器的制備方法，步驟(1)中，所述基體粒子的平均粒徑優(yōu)選為20～1000微米，進一步優(yōu)選為100～1000微米，例如380微米等。粒子的平均粒徑過小，比表面積增加，需要加入更多的導(dǎo)電填料；粒徑過大，會造成粒子間黏結(jié)的界面強度降低，嚴重損害了材料的可拉伸性。

13、[1]所述的具有超寬拉伸應(yīng)變傳感范圍的泡沫傳感器的制備方法，步驟(1)中，所述導(dǎo)電填料可包括炭黑(cb)、銀納米線、碳納米管、支化碳納米管(cns)、石墨烯(g)、還原氧化石墨烯(rgo)、mxene中的至少一種，優(yōu)選包括支化碳納米管(cns)。

14、[1]所述的具有超寬拉伸應(yīng)變傳感范圍的泡沫傳感器的制備方法，步驟(1)中，以所述基體粒子與所述導(dǎo)電填料的總質(zhì)量為100％計，所述導(dǎo)電填料的質(zhì)量百分占比優(yōu)選為0.1％～10％，進一步優(yōu)選為0.5％～10％，例如為0.1％、0.3％、0.5％、1.5％、3％、6％、10％中的任意值或上述任意兩者之間的范圍值。填料加入過少時，復(fù)合材料絕緣或?qū)щ娦院懿?，材料不具備壓阻傳感能力或傳感范圍窄；?dāng)加入的填料過多時，粒子表面的導(dǎo)電層厚度增加，在成型過程中阻礙粒子間poe分子鏈的互擴散，降低了界面強度，從而損害了材料的可拉伸性，進而減少了應(yīng)變傳感器的檢測范圍。

15、[1]所述的具有超寬拉伸應(yīng)變傳感范圍的泡沫傳感器的制備方法，步驟(1)中，所述機械混合的時間可為1～360分鐘。

16、[1]所述的具有超寬拉伸應(yīng)變傳感范圍的泡沫傳感器的制備方法，步驟(2)中，所述熱壓縮成型的溫度可為50～90℃，壓力可為9～11mpa，例如10mpa等。

17、[1]所述的具有超寬拉伸應(yīng)變傳感范圍的泡沫傳感器的制備方法，步驟(3)可采用間歇發(fā)泡法。

18、[1]所述的具有超寬拉伸應(yīng)變傳感范圍的泡沫傳感器的制備方法，步驟(3)中，所述物理發(fā)泡劑可包括二氧化碳、氮氣中的至少一種。

19、[1]所述的具有超寬拉伸應(yīng)變傳感范圍的泡沫傳感器的制備方法，所述物理發(fā)泡劑占所述復(fù)合材料的質(zhì)量百分比優(yōu)選為0.5％～10％。

20、在一些實施例中，[1]所述的具有超寬拉伸應(yīng)變傳感范圍的泡沫傳感器的制備方法，步驟(3)中，所述物理發(fā)泡劑包括二氧化碳和氮氣。進一步的，所述物理發(fā)泡劑中，所述二氧化碳和所述氮氣的體積比可為99:1～1:99。

21、[1]所述的具有超寬拉伸應(yīng)變傳感范圍的泡沫傳感器的制備方法，步驟(3)中，所述保溫保壓的保溫溫度優(yōu)選為30～80℃，例如50℃等，保壓壓力優(yōu)選為7～20mpa，所述保溫保壓的時間優(yōu)選為30～120分鐘，例如60分鐘等。能夠在短時間下使樣品對二氧化碳的溶解達到飽和。

22、[1]所述的具有超寬拉伸應(yīng)變傳感范圍的泡沫傳感器的制備方法，步驟(3)中，所述泄壓發(fā)泡的時間優(yōu)選不超過10秒，例如2-3秒等。快速卸壓能夠增加泡孔成核的驅(qū)動力，提高泡孔密度和減少泡孔尺寸。

23、[1]所述的具有超寬拉伸應(yīng)變傳感范圍的泡沫傳感器的制備方法，步驟(3)中，步驟(3)發(fā)泡過程所述復(fù)合材料的發(fā)泡倍率優(yōu)選為1.1～4倍，例如2倍等。泡沫傳感器具有多孔性的同時展現(xiàn)優(yōu)異的可拉伸性。

24、[1]所述的具有超寬拉伸應(yīng)變傳感范圍的泡沫傳感器的制備方法，步驟(3)中，所述泡沫傳感器的平均泡孔尺寸優(yōu)選為10～300微米，例如15微米等。微孔泡沫材料具有更優(yōu)異的力學(xué)性能。

25、[2]根據(jù)[1]所述的制備方法制備得到的具有超寬拉伸應(yīng)變傳感范圍的泡沫傳感器。

26、本發(fā)明的泡沫傳感器具有超高應(yīng)變檢測范圍，可達到762％拉伸應(yīng)變。

27、[3]根據(jù)[2]所述的泡沫傳感器在拉伸應(yīng)變傳感設(shè)備中的應(yīng)用。

28、[4]根據(jù)[2]所述的泡沫傳感器作為拉伸應(yīng)變傳感器在人體運動監(jiān)測、人機交互、健康監(jiān)測、智能機器人中的應(yīng)用。

29、本發(fā)明的泡沫傳感器可應(yīng)用于全范圍的運動檢測，包括面部表情、跑步和健身等運動進行很好的監(jiān)測。

30、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果有：

31、本發(fā)明通過將微米級的柔性聚烯烴彈性體(poe)等基體粒子與導(dǎo)電支化碳納米管(cns)等導(dǎo)電填料相結(jié)合，開發(fā)了一種簡單、環(huán)保、可大規(guī)模生產(chǎn)的策略來制備具有超寬拉伸應(yīng)變響應(yīng)范圍的泡沫傳感器。采用超臨界二氧化碳(scco2)等物理發(fā)泡技術(shù)制備了一種具有隔離結(jié)構(gòu)和梯度孔結(jié)構(gòu)的柔性和防水的以poe/cns為例的泡沫傳感器。

32、本發(fā)明泡沫傳感器具有超寬的拉伸應(yīng)變響應(yīng)范圍(例如0.5％～763％)，高靈敏度(示例的，規(guī)范因子gf為15230)，響應(yīng)時間快(示例的，200毫秒)，回復(fù)性好，經(jīng)久耐用等特點。因此，本發(fā)明具有多孔結(jié)構(gòu)的泡沫傳感器表現(xiàn)出對人體全方位運動的監(jiān)測，甚至在水下，并在打羽毛球和健身中發(fā)揮作用。

33、本發(fā)明開發(fā)了一種簡便、可大規(guī)模生產(chǎn)的、綠色的方法來制備工作范圍寬、靈敏度高的泡沫傳感器，有力地推動了傳感器在實際應(yīng)用中的發(fā)展。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種泡沫應(yīng)變傳感器，所述泡沫應(yīng)變傳感器包括導(dǎo)電填料和基體，所述導(dǎo)電填料涂敷在熱塑性彈性體粒子基體表面。