CN107655598B

CN107655598B - 基于碳纳米管和银纳米线复合导电薄膜的柔性应力传感器

Info

Publication number: CN107655598B
Application number: CN201710820185.4A
Authority: CN
Inventors: 魏雄邦; 庞韩英; 杨俊杰; 张文豪; 吕国栋; 吴双红
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2017-09-12
Publication date: 2020-01-10
Anticipated expiration: 2037-09-12
Also published as: CN107655598A

Abstract

本发明公开了一种基于碳纳米管和银纳米线复合导电薄膜的柔性应力传感器，属于柔性应力传感器技术领域。本发明通过将CNTs分散在乙二醇中，并在分散溶液中合成AgNWs。然后使用喷涂的方法将合成好的复合物转移到PDMS柔性衬底上，以制备CNTs和AgNWs的复合导电薄膜导电电极，最后再用一层PDMS柔性衬底封装成一种高稳定性的柔性应力传感器。本发明采用碳纳米管的乙二醇分散液化学合成CNTs和AgNWs的复合物，提高了CNTs和AgNWs的黏结性，这将使得柔性应力传感器的稳定性、响应性大大提高。并且CNTs和AgNWs的复合，在不改变原来柔韧性、延展性和透明性的基础上，还提高了导电性，节省了能源，极大地拓宽了它在柔性电子方面的应用。

Description

基于碳纳米管和银纳米线复合导电薄膜的柔性应力传感器

技术领域

本发明属于柔性应力传感器技术领域，涉及一种CNTs(碳纳米管)和AgNWs(银纳米线)复合导电薄膜的柔性应力传感器的制备工艺，具体涉及使用碳纳米管在乙二醇溶剂中的分散，在分散的碳纳米管乙二醇溶液中合成银纳米线，PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜的制备，以及在PDMS薄膜表面形成CNTs和AgNWs的复合导电薄膜和器件的封装。

背景技术

随着技术的发展，柔性器件以其优良的性能，可以被广泛的应用到各种领域。例如柔性触摸显示屏、柔性OLED(有机发光二极管)、柔性太阳能电池、柔性半导体器件以及应用在机器人身上的可穿戴电子皮肤。尤其是可穿戴电子皮肤，更要求其具有更好的柔性、可延展性、低电阻、透明性等优良性能。

ITO(氧化铟锡)作为一种传统的透明导电材料，已被应用到很多领域。不过其成本高、脆性高的特性限制了它的应用范围。碳纳米管、石墨烯以及它们的复合物作为透明导电材料被成功应用在了柔性衬底上，虽然这大大提高了它的柔性和透明性，然而它的电阻往往会很大。因此为了提高其导电性，一种金属纳米线AgNWs被应用到柔性传感器上。于是为了使传感器具有更好的导电性和透明性，可以在柔性衬底上镀有CNTs和AgNWs的复合导电薄膜。这种复合薄膜可以是分层的，也就是银纳米线在上，碳纳米管在下或者相反，还可以两种溶液均匀混合好后形成的复合薄膜。然而上述的复合导电薄膜，都属于一种物理复合，并且它们之间的粘结性较差。为了提高的它们的粘结性，本发明就提出了一种化学复合的方式，使碳纳米管和银纳米线这两种材料的黏结性更好，并应用到柔性衬底上，这将会大大提高器件的稳定性，实现了柔性应力传感器的高透明性、高导电性、高柔韧性以及高稳定性。

发明内容

本发明提供了一种新的CNTs(碳纳米管)和AgNWs(银纳米线)的复合导电薄膜导电电极的制备工艺，通过将CNTs分散在乙二醇中，并在分散溶液中合成AgNWs。然后使用喷涂的方法将合成好的复合物转移到柔性衬底上，以制备CNTs和AgNWs的复合导电薄膜导电电极，最后再用一层柔性衬底封装成一种高稳定性的柔性应力传感器。

本发明的技术方案如下：

1、CNTs在乙二醇中分散

1-1、分别称取质量比为1:15～1:20的CNTs(碳纳米管)和PVP(聚乙烯吡咯烷酮)粉末。研磨并使其充分混合均匀，再将其混合物加入乙二醇溶液中并密封保存，以免乙二醇吸入空气中的水分。

1-2、将步骤1-1中溶液放入超声机中进行超声12h～24h。待其均匀分散后，再用乙二醇将碳纳米管溶液浓度稀释至0.048mg/ml，再超声12h～24h。最后将分散好的溶液静止12h以上，取其上层分散有CNTs的无沉淀物溶液。

2、CNTs和AgNWs的复合物的合成

2-1、称取质量比为1:2～1:3的AgNO₃(硝酸银)和PVP，加入12～15ml步骤1中得到的无沉淀物溶液，并充分溶解。

2-2、另称取NaCl(氯化钠)与AgNO₃质量比为1:5的NaCl颗粒，使其充分溶解在20～25ml步骤1中得到的无沉淀物溶液中，得到NaCl的浓度为0.8～1mg/ml、且分散有CNTs的混合溶液，再量取2～3ml该混合溶液与步骤2-1中得到的溶液充分混合均匀，然后在该充分混合均匀后的溶液中加入16～20ml步骤1中得到的无沉淀物溶液，不断搅拌，使其充分混合。

2-3、进一步将步骤2-2中最后得到的混合溶液放入反应釜的聚四氟乙烯内衬中，在烘箱中140℃～160℃温度下烘烤2h～4h，反应得到CNTs和AgNWs的复合物混合液。

2-4、进一步将步骤2-3中得到的复合物混合液进行洗涤，首先用丙酮溶液在离心机中离心洗涤两次，再用去离子水离心洗涤一次，最后用乙醇离心洗涤两次，并用乙醇溶解保存。

3、PDMS薄膜柔性衬底的制备

称取质量比为1:10～1:20的PDMS(聚二甲基硅氧烷)固化剂和PDMS本剂并混合均匀，再在真空中除去气泡20～30分钟，接着在硅烷化过的玻璃基片上进行旋涂，最后将旋涂好的样品放在70～80℃的烘箱中进行固化成形。将固化好的PDMS薄膜从玻璃基片上进行剥离，并将剥离的那一面朝外重新贴附在该玻璃基片上，得到PDMS薄膜柔性衬底。

4、制作基于碳纳米管和银纳米线复合导电薄膜的柔性应力传感器

将步骤3中载有PDMS薄膜的玻璃基片放置到热台上加热至80～100℃，采用喷涂的方法将步骤2中得到的复合物喷涂在PDMS薄膜表面，形成复合导电薄膜；然后把洗涤干净的对电极掩膜板放置在具有复合导电薄膜一面的PDMS薄膜上，采用电子束蒸发的方式在上面蒸镀一对金电极；接着将掩膜板取下，在金电极上面用银胶和铜线引出一对电极，并在70～80℃的烘箱中进行烘干；待烘干后，用另一层步骤3中得到的PDMS薄膜覆盖其上，利用范德华力使两PDMS薄膜紧密贴附在一起，制作完成基于碳纳米管和银纳米线复合导电薄膜的柔性应力传感器。

本发明的有益效果是：采用碳纳米管的乙二醇分散液化学合成CNTs和AgNWs的复合物，提高了CNTs和AgNWs的黏结性。这将使得柔性应力传感器的稳定性、响应性大大提高。并且CNTs和AgNWs的复合，在不改变原来柔韧性、延展性和透明性的基础上，还提高了导电性，节省了能源。极大地拓宽了它在柔性电子方面的应用。

附图说明

图1为本发明基于碳纳米管和银纳米线复合导电薄膜的柔性应力传感器器件结构图。其中1、5为柔性衬底PDMS薄膜，2为Au电极，3为CNTs和AgNWs复合导电薄膜，4为铜线。

图2为CNTs和AgNWs的复合导电薄膜制备方法流程图。

具体实施方式

步骤1、将0.2gPVP与0.012gCNTs放入研磨钵中进行充分研磨。再将研磨好的粉末倒入一盛有20ml乙二醇的烧杯中。放入超声机中进行超声分散12h～24h，直至超声分散均匀。接着将乙二醇稀释至250ml，再超声12h～24h。最后将分散好的溶液静止12h，取其上层分散有CNTs的无沉淀物溶液。

步骤2、称取0.108gAgNO₃(硝酸银)、0.1758gPVP溶解在6ml步骤1获得的上层无沉淀物溶液中，并不断搅拌，使其充分溶解。另称取0.02gNaCl(氯化钠)溶解在20ml步骤1获得的上层溶液无沉淀物溶液中，不断搅拌，使其充分溶解。再量取2ml上述溶解有NaCl的溶液、与溶解好的AgNO₃和PVP溶液进行混合，不断搅拌，使其充分混合。

步骤3、量取16ml步骤1获得的上层无沉淀物溶液，与步骤2中最后得到的混合溶液进行混合，并不断搅拌均匀。然后将混合溶液放入反应釜的聚四氟乙烯内衬中，在烘箱中140℃～160℃温度下烘烤3h，得到CNTs和AgNWs的复合物混合液。

步骤4、将步骤3中得到的复合物混合液用丙酮溶液在转速为5000～6000rpm离心机中离心处理20～30min，重复2～3次，再用去离子水离心洗涤一次，最后用乙醇离心洗涤两次，并用乙醇溶解保存。

步骤5、将聚二甲基硅氧烷本剂和固化剂按质量比为10:1的比例混合，并不断搅拌均匀，在真空中除气泡20～30分钟，再在硅烷化过的玻璃基片上进行旋涂，最后将旋涂好的样品放在70～80℃的烘箱中进行固化成形。接着将固化好的PDMS薄膜从玻璃基片上进行剥离，将剥离的那一面朝外重新贴附在玻璃基片上。

步骤6、将制备好的PDMS薄膜放在80～100℃的加热台上进行预加热，使其达到预定的温度。采用喷涂的方法将步骤4中得到的复合物喷涂在PDMS薄膜表面，形成复合导电薄膜，并尽量使该薄膜的厚度均匀一致。

步骤7、把洗涤干净的对电极掩膜板放置在具有复合导电薄膜一面的PDMS上，采用电子束蒸发的方式在上面蒸镀一对金电极。接着将掩膜板取下，在金电极上面用银胶和铜线引出一对电极，并在70～80℃的烘箱中进行烘干。待烘干后，再用另一层不含有复合导电薄膜的PDMS薄膜覆盖在它的上面，利用范德华力使两PDMS薄膜紧密贴附在一起。

采用本发明得到的CNTs和AgNWs的复合物导电薄膜，提高了CNTs和AgNWs的黏结性，使得柔性应力传感器的稳定性、响应性大大提高。并且在不改变原来柔韧性、延展性和透明性的基础上，还提高了导电性，节省了能源。极大地拓宽了它在柔性电子方面的应用。

Claims

1.一种基于碳纳米管和银纳米线复合导电薄膜的柔性应力传感器，其制作方法包括以下步骤：

步骤1、将CNTs在乙二醇中分散

1-1、分别称取质量比为1:15～1:20的CNTs和PVP粉末，研磨并使其充分混合均匀，将其混合物加入乙二醇溶液中并密封保存；

1-2、将步骤1-1中溶液放入超声机中进行超声12h～24h，待其均匀分散后，再用乙二醇将碳纳米管浓度稀释至0.048mg/ml，再超声12h～24h，最后将分散好的溶液静止12h以上，取其上层分散有CNTs的无沉淀物溶液；

步骤2、CNTs和AgNWs的复合物的合成

2-1、称取质量比为1:2～1:3的AgNO₃和PVP，加入12～15ml步骤1中得到的无沉淀物溶液，并充分溶解；

2-2、另称取NaCl与AgNO₃质量比为1:5的NaCl颗粒，使其充分溶解在20～25ml步骤1中得到的无沉淀物溶液中，得到NaCl的浓度为0.8～1mg/ml、且分散有CNTs的混合溶液，再量取2～3ml该混合溶液与步骤2-1中得到的溶液充分混合均匀，然后在该充分混合均匀后的溶液中加入16～20ml步骤1中得到的无沉淀物溶液，不断搅拌，使其充分混合；

2-3、将步骤2-2中最后得到的混合溶液放入反应釜的聚四氟乙烯内衬中，在烘箱中140℃～160℃温度下烘烤2h～4h，得到CNTs和AgNWs的复合物混合液；

2-4、将步骤2-3中得到的复合物混合液进行洗涤，并用乙醇溶解保存；

步骤3、PDMS薄膜柔性衬底的制备

称取质量比为1:10～1:20的PDMS固化剂和PDMS本剂并混合均匀，在真空中除去气泡，接着在硅烷化过的玻璃基片上进行旋涂，最后将旋涂好的样品放在70～80℃的烘箱中进行固化成形；将固化好的PDMS薄膜从玻璃基片上进行剥离，并将剥离的那一面朝外重新贴附在该玻璃基片上，得到PDMS薄膜柔性衬底；

步骤4、制作基于碳纳米管和银纳米线复合导电薄膜的柔性应力传感器

将步骤3中载有PDMS薄膜的玻璃基片放置到热台上加热至80～100℃，采用喷涂的方法将步骤2中得到的复合物喷涂在PDMS薄膜表面，形成复合导电薄膜；然后把洗涤干净的对电极掩膜板放置在具有复合导电薄膜一面的PDMS薄膜上，采用电子束蒸发的方式在上面蒸镀一对金电极；接着将对电极掩膜板取下，在金电极上面用银胶和铜线引出一对电极，并在70～80℃的烘箱中进行烘干；待烘干后，用另一层步骤3中得到的PDMS薄膜覆盖其上，利用范德华力使两PDMS薄膜紧密贴附在一起，制作完成基于碳纳米管和银纳米线复合导电薄膜的柔性应力传感器。