CN109631742B - 一种基于碳纳米管的柔性应变传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于碳纳米管的柔性应变传感器及其制备方法，包括环氧树脂层、复合层和多壁碳纳米管层；所述复合层铺设在环氧树脂层的上表面，所述复合层具有呈阵列分布的突起；所述多壁碳纳米管层铺设在突起之间，且连接相邻的突起；其中，所述复合层由环氧树脂多壁碳纳米管复合材料制成。本发明应变传感器具有优良的灵敏度，宽测量范围，同时，制备方法简单易行。

Description

一种基于碳纳米管的柔性应变传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种柔性应变传感器，具体来说，涉及一种基于碳纳米管的柔性应变传感器及其制备方法。
背景技术
应变传感器可以监测各种变形，并在运动检测、健康监测、机器人和损伤检测中得到广泛应用。基于金属或半导体的传统应变传感器价格低廉且应用广泛，但其缺点如脆弱、高密度、低分辨率和低检测范围(通常低于5％)不能满足现代对应变传感器的拉伸性、高灵敏度、线性度和耐久性的高要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种高灵敏度的柔性应变传感器及其制备方法。
为解决上述技术问题，一方面，本发明实施例提供一种基于碳纳米管的柔性应变传感器，包括环氧树脂层、复合层和多壁碳纳米管层；所述复合层铺设在环氧树脂层的上表面，所述复合层具有呈阵列分布的突起；所述多壁碳纳米管层铺设在突起之间，且连接相邻的突起；其中，所述复合层由环氧树脂多壁碳纳米管复合材料制成。
作为优选，所述突起为三棱柱状。
另一方面，本发明实施例提供一种基于碳纳米管的柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
S10在半固化的环氧树脂层的上表面刷涂多壁碳纳米管，构造带有突起的复合层；
S20在突起之间喷涂多壁碳纳米管，形成网状结构的多壁碳纳米管层；
S30干燥后获得基于碳纳米管的柔性应变传感器。
作为优选，步骤S10前还包括：将环氧树脂浇铸到模具中，室温静置，得到半固化的环氧树脂层。
作为优选，室温静置时间为30～50min。
作为优选，步骤S10中，多壁碳纳米管以0.5～1.5mg/cm2进行刷涂。
作为优选，步骤S20中，多壁碳纳米管以0.2～1mg/cm2进行喷涂。
作为优选，步骤S30还包括，在传感器的两端涂覆导电银胶。
与现有技术相比，本发明实施例灵敏度高。本实施例中，多壁碳纳米管层和复合层形成导电通道，在小幅度拉伸形变下，小电阻结构的多壁纳米管层在传感器的电阻阻值大小中起主要作用，多壁碳纳米管层出现细小裂缝，电阻发生变化，对小幅度拉伸作出响应，有利于提高传感器在初期拉伸时的灵敏度。本实施例中，在大形变拉伸下，多壁碳纳米管层破碎，导电通道为复合层，在拉伸过程中复合层(尤其是突起之间)发生形变提供电阻变化，复合层由弹性材料环氧树脂和压阻敏感材料多壁碳纳米管的复合材料制成，具有优良拉伸性能，复合层可以在大拉伸下仍能保持电阻阻值变化，提高传感器的测量范围。本发明实施例传感器结构简单，制备工艺简单。
附图说明
图1为本发明实施例传感器的结构示意图；
图2为图1的剖面图；
图3为本发明实施例传感器在小幅度拉伸下的结构示意图；
图4为图3的剖面图；
图5为本发明实施例传感器在大幅度拉伸下的结构示意图；
图6为图5的剖面图。
图中：突起1、多壁碳纳米管层2、复合层3、环氧树脂层4、裂缝5。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步的解释说明。
如图1和图2所示，本发明实施例提供一种基于碳纳米管的柔性应变传感器，包括环氧树脂层4、复合层3和多壁碳纳米管层2。所述复合层3铺设在环氧树脂层4的上表面，复合层3具有呈阵列分布的突起1。所述多壁碳纳米管层2铺设在突起1之间且连接相邻的突起1。其中所述复合层3由环氧树脂多壁碳纳米管复合材料制成。
突起1可以为三棱柱状、三棱锥状、四棱锥状或半球状等，相邻突起的下部相连，突起下部与突起下部之间形成谷区域。优选突起为三棱柱状。
上述实施例的应变传感器工作时，导电通道为多壁碳纳米管MCNTs层2和复合层3，在小幅度拉伸时(拉伸长度小于原来长度的40％)，小电阻结构的多壁纳米管层在器件电阻阻值大小中起主要作用，拉伸过程中多壁碳纳米管层2出现裂缝5，如图3和图4所示，电阻逐渐增大，对小幅度拉伸作出响应，使得传感器在小形变时具有良好的灵敏度。在进一步拉伸过程中，如图5和图6所示，多壁碳纳米管MCNTs层2大量破裂，环氧树脂
Figure BDA0001919866890000031
00-30多壁碳纳米管MCNTs复合材料制成的复合层3为导电通道。由于复合层表面存在突起1，相邻突起之间的下部形形成谷区域，在拉伸过程中，形变主要集中在突起1之间的谷区域，谷区域沿拉伸方向上延伸，峰的高度逐渐降低，在此过程中，导电网络变形较大，与具有平坦表面形态的传感器相比，更多的导电通道断开，这导致更大的相对电阻阻值变化，从而提高了传感器的灵敏度。复合层3由弹性材料环氧树脂和压阻敏感材料多壁碳纳米管的复合材料制成，具有优良拉伸性能，复合层3可以在大拉伸下仍能保持电阻阻值变化，提高传感器的测量范围。本发明实施例的应变传感器具有良好的灵敏度和宽测量范围，结构简单。
本发明实施例还提供一种基于碳纳米管的柔性应变传感器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
S10在半固化的环氧树脂层4的上表面刷涂多壁碳纳米管，构造带有突起1的复合层3；
S20在突起1之间喷涂多壁碳纳米管，形成网状结构的多壁碳纳米管层2；
S30干燥后获得基于碳纳米管的柔性应变传感器。
上述实施例的制备方法，步骤S10前还包括：将环氧树脂浇铸到模具中，室温静置，得到半固化的环氧树脂层4。
上述实施例的制备方法，室温静置时间为30～50min。通过改变静置时间调节环氧树脂层1的固化程度，从而可改变步骤S10中形成的复合层3的突起1的高低。本实施例采用上述时间范围进行静置，在此时间固化的环氧树脂层上形成的突起1的高度占复合层高度的10％-40％，该高度范围的突起1，使得谷区域可延伸的范围大，高灵敏度的保持范围就大，同时突起也不会过高而导致传感器在拉伸过程断裂。其中，优选静置时间为40min。
上述实施例的制备方法中，步骤S10中，刷涂多壁碳纳米管MCNTs的含量为0.5～1.5mg/cm2。通过调节多壁碳纳米管的含量，来调节复合层3的网络紧密程度。本实施例使用上述含量范围的多壁碳纳米管进行刷涂构造复合层3，复合层3构成的导电网络密集，导电通路多，可拉伸测量范围大，同时也不会过于密集而导致在拉伸过程中断裂的导电通路占比小，电阻阻值相对变化小，影响传感器的灵敏度，制备的传感器具有良好的灵敏度的同时还具有宽测量范围。其中，优选含量为1mg/cm2。
上述实施例的制备方法中，步骤S20中，喷涂MCNTs水性浆料的含量为0.2～1mg/cm2。通过调节多壁碳纳米管的含量，来调节多壁碳纳米管层2的厚度。本实施例使用上述含量范围的多壁碳纳米管进行喷涂构造多壁碳纳米管层2，多壁碳纳米管层2厚，构成的导电网络密集，导电通路多，可拉伸测量范围大，同时也不会过厚而导致在拉伸过程中断裂的导电通路占比小，电阻阻值相对变化小，影响传感器的灵敏度，制备的应变传感器具有良好的灵敏度的同时还具有宽测量范围。其中，优选含量为0.5mg/cm2。
本发明优选实施例的基于碳纳米管的柔性应变传感器的制备方法，具体包括以下步骤：
S101.将环氧树脂
Figure BDA0001919866890000041
00-30浇铸到模具中，室温静置，使环氧树脂半固化，得到半固化的环氧树脂层1；
S102.用毛刷在半固化的环氧树脂层的上表面蘸取多壁碳纳米管MCNTs按1mg/cm2的量进行刷涂，环氧树脂和多壁碳纳米管混合生形成复合层3，毛刷在未完全固化的表面刷涂留下痕迹，形成突起1结构；
S103.利用喷笔在突起1之间按0.5mg/cm2的量喷涂多壁碳纳米管MCNTs水性浆料，构造网状结构的多壁碳纳米管层2；
S104.将模具放入干燥箱，70℃下干燥30min取出；
S105.在传感器两端涂覆导电银胶用做电连接，从模板中取出，获得基于碳纳米管的柔性应变传感器。
本发明实施例方法制备工艺简单，利用本发明实施例方法制备的应变传感器灵敏度高，测量范围大。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于碳纳米管的柔性应变传感器，其特征在于，包括环氧树脂层(4)、复合层(3)和多壁碳纳米管层(2)；所述复合层(3)铺设在环氧树脂层(4)的上表面，所述复合层(3)具有呈阵列分布的突起(1)；所述多壁碳纳米管层(2)铺设在突起(1)之间，且连接相邻的突起(1)；其中，所述复合层(3)由环氧树脂多壁碳纳米管复合材料制成；
多壁碳纳米管层和复合层形成导电通道，在小幅度拉伸形变下，多壁碳 纳米管层在传感器的电阻阻值大小中起主要作用，多壁碳纳米管层出现细小裂缝，电阻发生变化，对小幅度拉伸作出响应，有利于提高传感器在初期拉伸时的灵敏度；在大形变拉伸下，多壁碳纳米管层破碎，导电通道为复合层，在拉伸过程中复合层发生形变提供电阻变化，复合层由弹性材料环氧树脂和多壁碳纳米管的复合材料制成，复合层可以在大拉伸下仍能保持电阻阻值变化，提高传感器的测量范围；
由于复合层表面存在突起(1)，相邻突起之间的下部形成谷区域，在拉伸过程中，形变主要集中在突起(1)之间的谷区域，谷区域沿拉伸方向上延伸，峰的高度逐渐降低，在此过程中，导电网络变形较大，更多的导电通道断开，这导致更大的相对电阻阻值变化，从而提高了传感器的灵敏度。
2.根据权利要求1所述的基于碳纳米管的柔性应变传感器，其特征在于，所述突起(1)为三棱柱状。
3.一种基于碳纳米管的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10在半固化的环氧树脂层(4)的上表面刷涂多壁碳纳米管，构造带有突起(1)的复合层(3)；
S20在突起(1)之间喷涂多壁碳纳米管，形成网状结构的多壁碳纳米管层(2)；
S30干燥后获得基于碳纳米管的柔性应变传感器；
多壁碳纳米管层和复合层形成导电通道，在小幅度拉伸形变下，多壁碳 纳米管层在传感器的电阻阻值大小中起主要作用，多壁碳纳米管层出现细小裂缝，电阻发生变化，对小幅度拉伸作出响应，有利于提高传感器在初期拉伸时的灵敏度；在大形变拉伸下，多壁碳纳米管层破碎，导电通道为复合层，在拉伸过程中复合层发生形变提供电阻变化，复合层由弹性材料环氧树脂和多壁碳纳米管的复合材料制成，复合层可以在大拉伸下仍能保持电阻阻值变化，提高传感器的测量范围；
由于复合层表面存在突起(1)，相邻突起之间的下部形成谷区域，在拉伸过程中，形变主要集中在突起(1)之间的谷区域，谷区域沿拉伸方向上延伸，峰的高度逐渐降低，在此过程中，导电网络变形较大，更多的导电通道断开，这导致更大的相对电阻阻值变化，从而提高了传感器的灵敏度。
4.根据权利要求3所述的基于碳纳米管的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，步骤S10前还包括：将环氧树脂浇铸到模具中，室温静置，得到半固化的环氧树脂层(4)。
5.根据权利要求4所述的基于碳纳米管的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，室温静置时间为30～50min。
6.根据权利要求3所述的基于碳纳米管的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，步骤S10中，多壁碳纳米管以0.5～1.5mg/cm2进行刷涂。
7.根据权利要求3所述的基于碳纳米管的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，步骤S20中，多壁碳纳米管以0.2～1mg/cm2进行喷涂。
8.根据权利要求3所述的基于碳纳米管的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，步骤S30还包括，在传感器的两端涂覆导电银胶。
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