CN220136275U - 一种基于石墨烯薄膜的柔性应变传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于石墨烯薄膜的柔性应变传感器，该柔性应变传感器包括由下至上依次层叠的柔性基材、石墨烯薄膜、柔性保护层，引入电极即可实现电学信号输出。将制得的石墨烯薄膜均匀地擦涂在柔性基材上，在导电层两端放置一对导电铜箔并用导电银浆固化，将柔性保护层浇注在导电层上方并固化。所述的柔性应变传感器有较大的量程和较高的灵敏度，制备工艺流程简单快速且可行性高。
Description
技术领域
本实用性新属于柔性应变传感器制造领域，特别涉及一种基于石墨烯薄膜的柔性应变传感器。
背景技术
结构应变是结构在外力或环境变化作用下最直接的反映。土木工程监测应变通常采用电阻式应变传感器，其传感原理是传感元件电阻随其几何尺寸的改变而变化。例如金属电阻丝，单位应变造成的相对电阻变化可以等价为ΔR＝1+2v(v为泊松比)。由于金属材料泊松比一般在-1～0.5之间，金属电阻应变传感器灵敏度通常较低(约为2)，且容易受噪声影响。金属应变传感器因其变形范围限制，难以实现大变形的监测。
传统的压阻式传感器采用半导体材料作为敏感材料，基于局域压阻效应的传统压阻传感器的灵敏度通常比较高，如掺杂单晶硅应变传感器的灵敏度可达200。但半导体材料较脆，小变形即可能导致其断裂破坏，量程通常较低(<1％)。结构变形和内力状态是衡量结构安全最重要的指标，随着土木结构健康监测朝非破坏性的高灵敏、高可靠、动静结合的应力应变全寿命智能监测发展，传统压阻传感技术在结构变形监测中仍存在的局限性。新型柔性应变传感器具有较高的灵敏度与良好的柔性，可以实现对大应变的高精度监测，且制备工艺简单、成本低廉，在机械结构监测、人体运动监测、健康监测(脉搏、血压、体温等)、人机交互等方面都有广泛应用。因此，具备大量程和高灵敏度的新型柔性压阻式应变传感器能实现结构的大变形全过程监测，将是土木工程领域未来研究的重点。
实用新型内容
为了解决以上问题，本实用新型提供了一种基于石墨烯薄膜的柔性应变传感器，通过将石墨烯薄膜均匀地擦涂在柔性基材上，形成导电层，该导电层中石墨烯薄膜粉末之间通过搭接产生导电通路，当受到应变时石墨烯薄膜粉末分离形成微裂纹，导电通路断开，电阻值变化较大，从而使得应变传感器具有较大的量程和灵敏度；另外，本实用新型还提供了一种基于石墨烯薄膜的柔性应变传感器的制备方法。
为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：
第一方面，本申请实施例提供了一种基于石墨烯薄膜的柔性应变传感器，包括柔性基材、石墨烯薄膜、保护层、导线、导电银浆；
所述石墨烯薄膜擦涂在所述柔性基材上构成导电层，所述保护层浇注在所述导电层上，所述保护层、所述石墨烯薄膜、所述柔性基材依次设置构成三明治结构；
所述导线通过所述导电银浆连接在所述石墨烯薄膜的两端。
进一步地，所述柔性基材为聚二甲基硅氧烷PDMS薄膜，所述PDMS薄膜为a、b胶以质量比为10:1混合并固化得到，所述a胶为液态聚二甲基硅氧烷，所述b胶包括硅烷和烯烃。
进一步地，所述保护层为所述PDMS薄膜，所述PDMS薄膜为所述a、b胶以质量比为10:1混合并固化得到。
进一步地，所述石墨烯薄膜的厚度为500微米。
进一步地，所述导线为双导铜箔，通过所述导电银浆在60℃下固化1小时以实现所述导线与所述石墨烯薄膜的两端连接。
第二方面，本申请实施例提供了一种基于石墨烯薄膜的柔性应变传感器的制备方法，所述方法包括如下步骤:
S01、制备石墨烯薄膜；
S02、将a、b胶按照质量比10:1混合后固化得到柔性基材；所述a胶为液态聚二甲基硅氧烷，所述b胶包括硅烷和烯烃；
S03、将所述石墨烯薄膜均匀地擦涂在所述柔性基材上形成导电层；
S04、将一对导线通过导电银浆固化在所述石墨烯薄膜的两端，固化时的温度为60℃，时间为1小时；
S05、将所述a、b胶按照质量比10:1混合并浇注在所述导电层上固化得到所述基于石墨烯薄膜的柔性传感器，所述a胶为液态聚二甲基硅氧烷，所述b胶包括硅烷和烯烃，固化时的温度为80℃，时间为3小时。
进一步地，所述制备石墨烯薄膜包括如下步骤:
S011:用超纯水稀释氧化石墨烯GO,形成浓度为2％-4％的氧化石墨烯GO溶液；
S012:机械搅拌所述GO溶液,转化为GO凝胶；
S013:将所述GO凝胶刮到聚对苯二甲酸乙二醇酯PET薄膜表面，在25℃下干燥得到GO薄膜；
S014:将所述GO薄膜从所述PET薄膜上撕下，放入退火炉中，在第一温度下并在氩气流环境中保温2小时，再将温度升高至第二温度下并在氩气流环境中保温1小时，冷却至25℃，获得所述石墨烯薄膜。
进一步地，所述第一温度为25℃至1400℃中的任一种或多种。
进一步地，所述第二温度为3000℃、3100℃、3200℃中任一种或多种。
进一步地，其特征在于，所述柔性基材的厚度为1mm。
本实用新型提供的一种基于石墨烯薄膜的柔性应变传感器具有以下有益效果：
1、本实用新型实施例提供的基于石墨烯薄膜的柔性应变传感器，由于PDMS基底的柔性，可以很良好的贴合在结构表面，本发明选取拉伸应变和弯曲应变等常见结构变形信号进行准确检测，实现了与应变线性对应的电阻变化。
2、本实用新型实施例提供的基于石墨烯薄膜的柔性应变传感器相较于传统金属应变传感器具有更大的量程和灵敏度，这是由于导电层中石墨烯薄膜粉末之间通过搭接产生导电通路，当受到应变时石墨烯薄膜粉末分离形成微裂纹，导电通路断开，电阻值变化较大。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种基于石墨烯薄膜的柔性应变传感器的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种基于石墨烯薄膜的柔性应变传感器的制备工艺流程图；
图3为本申请实施例提供的一种基于石墨烯薄膜的柔性应变传感器等强度梁应变测试***装置示意图；
图4为采用本申请实施例提供的一种基于石墨烯薄膜的柔性传感器测得的应变；
图5为本申请实施例提供的一种基于石墨烯薄膜的柔性应变传感器单轴循环拉伸结果。
具体实施方式
下面将结合附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开所提供的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。
在本公开的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
除非上下文另有要求，否则，在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”被解释为开放、包含的意思，即为“包含，但不限于”。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在描述一些实施例时，可能使用了“连接”及其衍伸的表达。例如，描述一些实施例时可能使用了术语“连接”以表明两个或两个以上部件彼此间有直接物理接触或电接触。然而，术语“连接”也可能指两个或两个以上部件彼此间并无直接接触，但仍彼此协作或相互作用。这里所公开的实施例并不必然限制于本文内容。
在本公开的内容中，“在……上”、“上方”、和“之上”的含义应当以最宽泛的方式解释，使得“在...上”不仅意味着“直接在某物上”，而且还包括其间具有中间特征或层的“在某物上”的含义，并且“上方”或“之上”不仅意味着在某物“上方”或“之上”，还包括其间没有中间特征或层的在某物“上方”或“之上”的含义(即，直接在某物上)。
本文参照作为理想化示例性附图的剖视图和/或平面图描述了示例性实施方式。在附图中，为了清楚，放大了层和区域的厚度。因此，可设想到由于例如制造技术和/或公差引起的相对于附图的形状的变动。因此，示例性实施方式不应解释为局限于本文示出的区域的形状，而是包括因例如制造而引起的形状偏差。因此，附图中所示的区域本质上是示意性的，且它们的形状并非旨在示出设备的区域的实际形状，并且并非旨在限制示例性实施方式的范围。
本实用新型实施例提供的柔性应变传感器具有大量程、高灵敏度与良好的柔性、高线性度、循环稳定性等特点，在土木工程结构的大变形全过程领域监测中具有较高的应用价值。下面将结合附图具体说明。
请参阅图1，图1为本申请实施例提供的一种基于石墨烯薄膜的柔性应变传感器的结构示意图。其中，图1中的(a)为结构示意图的立体装配图；图1中的(b)为结构示意图的俯视图；
如图1所示，一种基于石墨烯薄膜的柔性应变传感器包括柔性基材1、石墨烯薄膜2、保护层3、导线4、导电银浆5,其中柔性基材1、石墨烯薄膜2、保护层3依次设置构成三明治结构，柔性基材1和保护层3相对设置，两者中间设置有石墨烯薄膜，将石墨烯薄膜通过擦涂的方法均匀涂布在柔性基材1上形成如图2所示的导电层6，一对导线4分别设置在石墨烯薄膜2的两端，并用导电银浆5将其固定。
柔性基材1的材质为柔性薄膜，柔性薄膜的成分为聚二甲基硅氧烷PDMS，柔性薄膜的厚度为1mm。保护层3为浇注在导电层6上后固化的柔性薄膜；
图2为本申请实施例提供的一种基于石墨烯薄膜的柔性应变传感器的制备工艺流程图，如图2所示，一种基于石墨烯薄膜的柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
S01、制备石墨烯薄膜2；在本申请提供的一个实施例中，石墨烯薄膜2可通过氧化石墨烯GO稀释、搅拌、刮涂、干燥、还原得到。具体地：
用超纯水稀释氧化石墨烯(GO)形成浓度为2％到4％的GO溶液；
通过机械搅拌GO溶液使其转化为GO凝胶；
将GO凝胶平滑地刮到聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜表面，调节GO薄膜的厚度,在室温下干燥得到GO薄膜；
将制备好的GO薄膜从PET薄膜上撕下，放入退火炉中，退火炉中的温度设置为第一温度，在氩气流环境下保温2h，在本实用新型提供的一个实施例中，第一温度可以为1250℃、1300℃、1350℃中的一种或多种，在另一实施例中，第一温度为室温至1400℃中的任一种或多种，本申请对此不做具体限定，其中，室温可以为25℃；然后再将温度升高至第二温度，在氩气流环境下保持1h，然后缓慢冷却至室温，还原获得石墨烯薄膜，石墨烯薄膜可以为多孔褶皱石墨烯宏观膜；在本实用新型提供的一个实施例中，第二温度可以为3000℃、3100℃、3200℃中的一种或多种，本申请对此不做具体限定；
S02、将PDMS a、b胶按照质量比10：1混合后固化得到柔性基材1；在本申请提供的一个实施例中，柔性基材1可通过以下步骤获得：将a胶：b胶质量比为10：1的PDMS浇注到厚度为1mm的模具中，a胶为液态聚二甲基硅氧烷，b胶包括硅烷和烯烃；80℃固化3小时，固化后切出3cm*5cm的规格作为柔性基材，柔性基材1的厚度为1mm；
S03、将石墨烯薄膜2均匀均匀地擦涂在柔性基材上1形成导电层6；在本实用新型提供的一个实施例中，擦涂完成后导电层6的透光率为7％；
S04、将一对导线4通过导电银浆5固化在导电层6的两端；在本实用新型提供的一个实施例中，上述固化过程可通过如下步骤实现：在导电层6两端分别放置一根导线4并用导电银浆5固化，导线4可以为双导铜箔，固化工艺可以为温度60℃，时间可以为1小时；
S05、将PDMS a、b胶按照质量比10：1混合后形成保护层，将保护层3浇注在导电层6上并固化，即得到基于石墨烯薄膜的柔性应变传感器；固化温度可以为80℃，时间可以为3小时。
在获得通过上述步骤制备的基于石墨烯薄膜的柔性应变传感器后，采用此柔性应变传感器对应变信号进行测试，在本申请实施例中，分别对等强度梁应变信号和单轴循环拉伸进行测试，图3为本申请实施例提供的一种基于石墨烯薄膜的柔性应变传感器等强度梁应变测试***装置示意图,测试过程及结果如下：
(一)：对等强度梁应变信号进行测试；
将本申请实施例提供的基于石墨烯薄膜的柔性应变传感器通过502胶粘在等强度梁上表面，如图3所示，将该柔性应变传感器的导线数据采集仪1相连，其中，数据采集仪1可以为Keithley7510数据采集仪，在等强度梁上表面放置电阻应变片，并将电阻应变片与数据采集仪2相连，其中，数据采集仪2可以为东华数据采集仪，等强度梁末端放置砝码，采集柔性应变传感器的电阻信号；
图4为采用本申请实施例提供的一种石墨烯薄膜的柔性传感器测得的应变；由此可以看出柔性应变传感器的电阻变化与应变呈高度线性相关，因此该柔性应变传感器可以准确的测得应变信号。
(二)：进行单轴循环拉伸测试；
将基于石墨烯薄膜的柔性应变传感器的两端通过夹具固定在位移台上，将数据采集仪1和柔性应变传感器的导线连接，其中，数据采集仪1可以为Keithley7510数据采集仪，测量标距，设定拉伸距离和拉伸速度，通过拉伸位移除以标距可以得到应变；用电动位移台对石墨烯薄膜柔性应变传感器进行单轴循环拉伸，采集柔性应变传感器的电阻信号。
图5为本申请实施例提供的一种石墨烯薄膜的柔性应变传感器单轴循环拉伸结果；在0～3％、0～4.5％、0～6％、0～7.5％四个量程范围内单轴循环拉伸250次，取稳定后的10次数据画图，由图中看出该基于石墨烯薄膜的柔性应变传感器具有较大的电阻信号变化值和不同量程范围内的循环稳定性，因此该柔性应变传感器具有大量程、高灵敏度和循环稳定性，在结构健康监测中具有良好运用前景。
以上所述的实施例仅仅是对本申请的优选实施方式进行描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请的设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形及改进，均应落入本申请的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于石墨烯薄膜的柔性应变传感器，其特征在于，包括柔性基材(1)、石墨烯薄膜(2)、保护层(3)、导线(4)、导电银浆(5)；
所述石墨烯薄膜(2)涂布在所述柔性基材(1)上构成导电层(6)，所述保护层(3)浇注在所述导电层(6)上，所述保护层(3)、所述石墨烯薄膜(2)、所述柔性基材(1)依次设置构成三明治结构；
所述导线(4)通过所述导电银浆(5)连接在所述石墨烯薄膜(2)的两端。
2.如权利要求1所述的柔性应变传感器，其特征在于，所述柔性基材(1)为聚二甲基硅氧烷PDMS薄膜，所述PDMS薄膜为a、b胶以质量比为10:1混合并固化得到，所述a胶为液态聚二甲基硅氧烷，所述b胶包括硅烷和烯烃。
3.如权利要求1所述的柔性应变传感器，其特征在于，所述保护层(3)为PDMS薄膜，所述PDMS薄膜为a、b胶以质量比为10:1混合并固化得到。
4.如权利要求2所述的柔性应变传感器，其特征在于，所述石墨烯薄膜(2)的厚度为500微米。
5.如权利要求4所述的柔性应变传感器，其特征在于，所述导线(4)为双导铜箔，通过所述导电银浆(5)在60℃下固化1小时以实现所述导线(4)与所述石墨烯薄膜(2)的两端连接。
6.如权利要求2所述的柔性应变传感器，其特征在于，所述柔性基材(1)的厚度为1mm。
7.如权利要求1所述的柔性应变传感器，其特征在于，所述柔性应变传感器通过如下步骤获得：
S01、制备石墨烯薄膜(2)；
S02、将a、b胶按照质量比10:1混合后固化得到柔性基材(1)；a胶为液态聚二甲基硅氧烷，所述b胶包括硅烷和烯烃；
S03、将所述石墨烯薄膜(2)均匀地擦涂在所述柔性基材(1)上形成导电层(6)；
S04、将一对导线(4)通过导电银浆(5)固化在所述石墨烯薄膜(2)的两端，固化时的温度为60℃，时间为1小时；
S05、将所述a、b胶按照质量比10:1混合并浇注在所述导电层(6)上固化得到所述基于石墨烯薄膜的柔性传感器，所述a胶为液态聚二甲基硅氧烷，所述b胶包括硅烷和烯烃，固化时的温度为80℃，时间为3小时。
8.如权利要求7所述的柔性应变传感器，其特征在于，所述石墨烯薄膜(2)通过如下步骤获得:
S011:用超纯水稀释氧化石墨烯GO,形成浓度为2％-4％的氧化石墨烯GO溶液；
S012:机械搅拌所述GO溶液,转化为GO凝胶；
S013:将所述GO凝胶刮到聚对苯二甲酸乙二醇酯PET薄膜表面，在25℃下干燥得到GO薄膜；
S014:将所述GO薄膜从所述PET薄膜上撕下，放入退火炉中，在第一温度下并在氩气流环境中保温2小时，再将温度升高至第二温度下并在氩气流环境中保温1小时，冷却至25℃，获得所述石墨烯薄膜(2)。
9.如权利要求8所述的柔性应变传感器，其特征在于，所述第一温度为25℃至1400℃中的任一种或多种。
10.如权利要求8所述的柔性应变传感器，其特征在于，所述第二温度为3000℃、3100℃、3200℃中任一种或多种。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202321567779.6U CN220136275U (zh) | 2023-06-20 | 2023-06-20 | 一种基于石墨烯薄膜的柔性应变传感器 |
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