碳纳米管/聚苯胺复合薄膜柔性力敏传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了碳纳米管/聚苯胺复合薄膜柔性力敏传感器及其制备方法。其包括：碳纳米管/聚苯胺复合薄膜上、下表面的聚二甲基硅氧烷(PDMS)绝缘保护层和金属叉指电极柔性基底；绝缘保护层附着于碳纳米管/聚苯胺复合薄膜上表面；叉指电极柔性基底位于碳纳米管/聚苯胺复合薄膜以下；叉指电极柔性基底和碳纳米管/聚苯胺复合薄膜组成了柔性力敏传感器力敏单元。该柔性力敏传感器中碳纳米管/聚苯胺复合薄膜具有柔韧性好、重复性好、性能稳定与使用寿命长等特点。

【技术实现步骤摘要】
碳纳米管/聚苯胺复合薄膜柔性力敏传感器及其制备方法
本专利技术属于纳米技术和传感
，特别涉及一种碳纳米管/聚苯胺复合薄膜柔性力敏传感器及制备方法。
技术介绍
柔性传感器因为具有优良的弯曲性，以及不受限与被测物体的外观形状，而被广泛应用。柔性力敏传感器主要应用于剪切力和挤压力的测量。在导电材料中，聚苯胺由于原料便宜、合成简单、环境温度性好、耐高温以及良好的导电率和物理化学性能等优点，已经受到科研工作者的广泛研究和应用。碳纳米管因其优越的力学、电学和化学性能，也已经展开全球化研究。研究和开发碳纳米管和聚苯胺的复合材料在力敏传感器上的应用，设计一种聚苯胺和碳纳米管的复合材料其电阻会随着受力程度的变化而发生明显变化的传感器，具有很好的科研意义和应用前景。现有的柔性力敏传感器利用碳纳米管/非导电聚合物(二甲基硅氧烷或苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)作为力敏材料(申请号201010260505.3)，这样的复合材料是主要以碳纳米管导电作为信号传输，不可避免会出现传导延时、稳定性差等问题，这些缺点限制了非导电聚合物力敏导电材料在高性能柔性力敏传感器上的应用。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术是为了避免碳纳米管/非导电聚合物(二甲基硅氧烷或苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)力敏传感器所存在的不足，提供一种基于碳纳米管/聚苯胺复合薄膜柔性力敏传感器及制法，具有柔韧性好、重复性好、性能稳定与使用寿命长等特点。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：本专利技术提供碳纳米管/聚苯胺复合薄膜柔性力敏传感器，其包括：(1)碳纳米管/聚苯胺复合薄膜；(2)碳纳米管/聚苯胺复合薄膜上表面的聚二甲基硅氧烷(PDMS)绝缘保护层；(3)碳纳米管/聚苯胺复合薄膜下表面Ti-Au叉指电极柔性基底。所述Ti-Au叉指电极是直接镀在柔性基底上的，该部分与碳纳米管/聚苯胺复合薄膜构成柔性力敏传感器的力敏单元；其特征在于：所述碳纳米管/聚苯胺复合薄膜为聚苯胺均匀包覆在碳纳米管上，形成的复合材料制成的薄膜；所述柔性基底材料为聚酰亚胺(PI)。所述的碳纳米管/聚苯胺复合薄膜柔性力敏传感器，其特征在于，所述的碳纳米管为羧基化单壁碳纳米管或羧基化多壁碳纳米管。本专利技术提供的碳纳米管/聚苯胺复合薄膜柔性力敏传感器制备方法，其步骤如下：1)采用金属叉指电极柔性基底制作工艺，制作碳纳米管/聚苯胺复合薄膜下表面金属叉指电极柔性基底，所述厚度为75～150μm柔性聚酰亚胺(PI)基底用氧等离子体处理，具体参数：真空度0.1Pa，通入氧气，氧气流量10～20sccm，使工作压力达到20～120Pa，射频功率60～100W，室温下处理5min；2)设计如图2叉指电极，利用光刻技术在聚酰亚胺(PI)基底镀上间隔100μm金属叉指电极。具体参数如下，紫外曝光参数：AZ5214胶110℃前烘3min，曝光1s，120℃后烘2min，曝光20s，显影1min；电子束蒸镀参数：真空度5×10-6mbar，Ti、Au厚度分别为10nm、100nm；3)碳纳米管分散液：取20mg碳纳米管，分散在9mL质量分数为68％的浓硝酸和27mL质量分数为98％的浓硫酸中，110℃油浴搅拌45～90min，将碳纳米管洗至中性，干燥后的碳纳米管配成0.2mg/mL混合液，混合液中加入还包含十二烷基苯磺酸钠，十二烷基苯磺酸钠SDBS质量是混合液溶液质量的1％，并在300W超声分散30～60min；4)在40mL浓度为1mol/L的HCl中加入60mg过硫酸铵(APS)，再加入300μL步骤3)制备的浓度为0.2mg/mL碳纳米管混合液，超声5～30分钟，在5℃搅拌20min，最后加入43μL苯胺，控制反应温度在5℃，搅拌3～12h，即制成碳纳米管/聚苯胺的复合材料；5)在步骤2)制备的叉指柔性基底上，用喷涂法将4)中复合材料均匀涂覆，室温下干燥；待溶剂完全挥发后，在叉指柔性电极2)上形成均匀的碳纳米管/聚苯胺复合材料薄膜；所述碳纳米管/聚苯胺复合材料薄膜控制厚度100～200μm；6)在步骤5)碳纳米管/聚苯胺复合材料薄膜上均匀涂覆一层聚二甲基硅氧烷(PDMS)绝缘保护层，所得到碳纳米管/聚苯胺复合薄膜柔性力敏传感器。本专利技术的工作原理为：碳纳米管/聚苯胺薄膜下表面布置叉指电极柔性基底构成了力敏传感器的力敏单元；碳纳米管/聚苯胺薄膜上表面涂覆一层绝缘保护层；传感器表面的压力传递到碳纳米管/聚苯胺薄膜上时，碳纳米管/聚苯胺复合材料之间的接触状态和间隙随之变化，造成复合材料电阻发生变化；通过测量叉指电极两端电阻的大小就可以反映出压力的大小。本专利技术中电极是由金属叉指电极构成，与附着其上的绝缘保护层可采用标准的柔性电路板工艺制作。本专利技术中碳纳米管/聚苯胺复合材料采用原位聚合方法制备。碳纳米管可选用羧基化单壁碳纳米管或羧基化多壁碳纳米管，合成聚苯胺的原料为苯胺。碳纳米管/聚苯胺复合的原则是保证碳纳米管在合成体系中分散均匀。碳纳米管/聚苯胺复合膜的制备工艺过程为：取20mg碳纳米管，分散在9mL质量分数为68％的浓硝酸和27mL质量分数为98％的浓硫酸中，110℃油浴搅拌45min，将碳纳米管洗至中性，干燥后的碳纳米管配成0.2mg/mL混合液，混合液中加入还包含十二烷基苯磺酸钠，十二烷基苯磺酸钠SDBS质量是混合液溶液质量的1％，并在300～1000W超声分散30～60分钟；在40mL浓度为1mol/L的HCl中加入60mg过硫酸铵(APS)，再加入300μL步骤3)制备的浓度为0.2mg/mL碳纳米管混合液，超声5～30分钟，在5℃搅拌20min，最后加入43μL苯胺，控制反应温度在5℃，搅拌3～12h，即制成聚苯胺和碳纳米管的复合材料。用喷涂法将复合材料均匀涂覆在叉指柔性基底上，室温下干燥；待溶剂完全挥发后，在Ti-Au叉指柔性电极上形成均匀的碳纳米管/聚苯胺复合材料薄膜。在上述制成的碳纳米管/聚苯胺复合材料薄膜表面上均匀涂覆一层聚二甲基硅氧烷(PDMS)绝缘保护层，所得到碳纳米管/聚苯胺复合薄膜柔性力敏传感器。本专利技术的优异效果是：在导电材料中，聚苯胺有着原料便宜、合成简单、环境温度性好、耐高温以及良好的导电率和物理化学性能等优点；碳纳米管有着优越的力学、电学和化学性能；利用原位聚合制备碳纳米管和聚苯胺的复合材料其电阻会随着受力程度的变化而发生明显变化；碳纳米管和聚苯胺的复合材料有着良好的柔韧性能；碳纳米管/聚苯胺复合材料之间的的相互距离会随材料应变而变化，碳纳米管/聚苯胺复合材料不会因压力作用而损坏，因而力敏特性表现出显著的稳定性；经过多次超声分散处理，碳纳米管在整个体系中分散均匀，与聚苯胺复合良好。在测试过程中通入2V恒定电压，待力敏传感器的电阻稳定后，在柔性传感器中间位置快速施加压力使其弯曲，然后撤去压力，使其恢复原状后，再次快速重复以上动作几个周期，同时监控电脑上的电流变化，绘制电流和时间的变化曲线图，如图4。从图中可以看出柔性传感器通过受力后的弯曲，电流发生了明显的变化，在0.03s可以到达峰值。附图说明图1柔性力敏传感器剖面示意图，其中包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)绝缘保护层1、碳纳米管/聚苯胺复合材料薄膜2即叉指电极位置、金属叉指电极3、PI柔性基底4。图2柔性力敏传感器叉指电极结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纳米管/聚苯胺复合薄膜柔性力敏传感器，其特征在于包含：(1)碳纳米管/聚苯胺复合薄膜；(2)碳纳米管/聚苯胺复合薄膜上表面聚二甲基硅氧烷PDMS绝缘保护层；(3)碳纳米管/聚苯胺复合薄膜下表面金属叉指电极柔性基底；所述金属叉指电极是直接镀在柔性基底上的，该部分与碳纳米管/聚苯胺复合薄膜构成柔性力敏传感器的力敏单元；所述碳纳米管/聚苯胺复合薄膜为聚苯胺均匀包覆在碳纳米管上形成的复合材料制成的薄膜；所述的碳纳米管为羧基化单壁碳纳米管或羧基化多壁碳纳米管。

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管/聚苯胺复合薄膜柔性力敏传感器，其特征在于包含：(1)碳纳米管/聚苯胺复合薄膜；(2)碳纳米管/聚苯胺复合薄膜上表面聚二甲基硅氧烷PDMS绝缘保护层；(3)碳纳米管/聚苯胺复合薄膜下表面金属叉指电极柔性基底；所述金属叉指电极是直接镀在柔性基底上的，该部分与碳纳米管/聚苯胺复合薄膜构成柔性力敏传感器的力敏单元；所述碳纳米管/聚苯胺复合薄膜为聚苯胺均匀包覆在碳纳米管上形成的复合材料制成的薄膜；所述的碳纳米管为羧基化单壁碳纳米管或羧基化多壁碳纳米管。2.根据权利要求1中所述的碳纳米管/聚苯胺复合薄膜柔性力敏传感器，其特征在于，所述柔性基底材料为聚酰亚胺。3.制备如权利要求1或2所述碳纳米管/聚苯胺复合薄膜柔性力敏传感器的方法，其特征在于，步骤如下：1)采用金属叉指电极柔性基底制作工艺，制作碳纳米管/聚苯胺复合薄膜下表面金属叉指电极柔性基底，所述厚度为75～150μm柔性基底用氧等离子体处理，具体参数：真空度0.1Pa，通入氧气，氧气流量10～20sccm，使工作压力达到20～120Pa，射频功率60～100W，室温下处理5min；2)利用光刻技术在柔性基底镀上间隔100μmTi-Au叉指电极；具体参数如下，紫外曝光参数：AZ5214胶110℃前烘3min，曝光1s，1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王如志，张曼晨，丁昌，严辉，张铭，王波，汪浩，宋雪梅，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11