具有任意曲面适应性的自驱动超弹性密码盘及其制备方法技术

本发明专利技术公开了具有任意曲面适应性的自驱动超弹性密码盘及其制备方法，所述密码盘包括：基底层、导电流体电极层、封装层；若干流体导电电极安装在基底层上，封装层对基底层和导电流体电极层进行封装，基底层和封装层均采用ECOFLEX系列硅橡胶；所实现的器件具有超弹性和柔韧性，可完全贴附在任意复杂曲面上，比如人体皮肤，并且具备良好的生物相容性和舒适度，本发明专利技术所实现的器件具有自驱动特性，能够将外部机械输入直接转化为电信号，从而实现自发电自供能特性。

Self-driving hyperelastic cipher disk with arbitrary surface adaptability and its preparation method

The invention discloses a self-driving hyperelastic cipher disk with arbitrary surface adaptability and a preparation method thereof. The cipher disk comprises a base layer, a conductive fluid electrode layer and a packaging layer. Several fluid conductive electrodes are installed on the base layer, and the packaging layer encapsulates the base layer and the conductive fluid electrode layer. The substrate layer and the packaging layer are all made of ECOFLEX series silicone rubber. The device has superelasticity and flexibility, can be completely attached to any complex surface, such as human skin, and has good biocompatibility and comfort. The device has self-driving characteristics, and can directly convert external mechanical input into electrical signals, thereby realizing the self-generating and self-supplying characteristics.

【技术实现步骤摘要】
具有任意曲面适应性的自驱动超弹性密码盘及其制备方法
本专利技术涉及密码盘
，具体而言，涉及一种具有任意曲面适应性的自驱动超弹性密码盘及其制备方法。
技术介绍
密码盘是一种广泛应用于安全领域的人机交互设备。实际上，早在古罗马时代就曾利用密码术对信息进行编译。而随着现代化电子产品的飞速发展，不管是国防安全领域，还是通讯、交通、工商等服务行业，对密码盘技术都提出了更高的要求。作为一种加密工具，如何实现一种低功耗的便携式密码盘业已成为该研究领域的难点。传统的机械密码盘制作过程复杂，各组件通常采用金属、塑料等材料制成，导致整个器件呈刚性、笨重且不便携带。如申请号为CN201810964548.6的中国专利技术专利申请公开了一种机械数字锁密码盘的内盘，其内盘制作包括盘体和活动拨动装置，工序繁琐、周期长；如申请号为201820282333.1的中国专利技术专利申请公开了一种金属密码键盘。而现有的触屏式密码盘，虽然轻便、灵活，但仍存在功耗高、制作过程复杂等问题。如专利号为CN101813992A的中国专利技术专利申请公开的一种触摸屏及其密码输入方法。而针对大量涌现的穿戴式电子器件和设备而言，开发具有任意曲面适应性的密码盘技术具有广泛的应用前景。文献[KaiDong,ZhiyiWu.AStretchableYarnEmbeddedTriboelectricNanogeneratorasElectronicSkinforBiomechanicalEnergyHarvestingandMultifunctionalPressureSensing.Adv.Mater.2018,1804944]提出了一种基于埋入导电纱线的柔性密码盘技术，但是由于导电纱线自身的不可拉伸的物理特性，无法实现具有超弹性的密码盘器件。
技术实现思路
本专利技术首次提出了一种具有任意曲面适应性的自驱动密码盘及其制备方法，所实现的器件具有超弹性和柔韧性，可完全贴附在任意复杂曲面上，比如人体皮肤，并且具备良好的生物相容性和舒适度。除此之外，本专利技术所实现的器件具有自驱动特性，能够将外部机械输入直接转化为电信号，从而实现自发电自供能特性。因此，本专利技术在穿戴式电子器件领域展现出广泛的应用潜能。此外，本专利技术还提供了具有任意曲面适应性的自驱动超弹性密码盘制备方法。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种具有任意曲面适应性的自驱动超弹性密码盘，包括超弹性基底、导电流体电极和超弹性封装层。优选的，所述超弹性基底和超弹性封装层采用ECOFLEX系列硅橡胶。ECOFLEX系列硅橡胶是一种超软铂金硅橡胶，在室温下可自然固化，收缩率小、粘度低、流动性好、优良的耐高温性，其温度可达300℃～500℃。最重要的是，固化后的硅橡胶非常柔软，非常坚固，非常“有弹性”，拉伸其原始尺寸的数倍而不会撕裂，并且会在没有变形的情况下回弹到其原始形状；高抗拉、抗撕裂力，可翻模次数多。优选的，所述导电流体电极采用碳纳米管/硅橡胶复合导电流体。碳纳米管(CNT)，其独特结构决定了它具有许多特殊的物理和化学性质。基于CNT极大的长径比、优异的机械强度以及良好的导电导热能力等性能特点。当适当比例的CNT作为增强剂加入到硅橡胶中时，复合物将兼顾CNT和硅橡胶的优良特性。优选的，所述硅橡胶是ECOFLEX系列硅橡胶。本专利技术的超弹性密码盘，单个按键单元也是一种自驱动摩擦纳米发电机。所述自驱动摩擦纳米发电机基于摩擦起电效应和静电感应相结合，能够有效地将机械能转化为电能。摩擦纳米发电机作为一种能量产生单元，其工作机理是：在其内部的结构中，由于接触生电，两个摩擦电极性不同的摩擦材料薄层之间会发生电荷转移，从而使得两者之间形成电势差；在外部电路中，电子在电势差的驱动下在两个分别粘贴在摩擦电材料层背面的电极之间或者电极与地之间流动，从而形成电流产生电信号。本专利技术的超弹性密码盘，其每个键盘单元，包括摩擦单元、导电电极和超弹性基底。摩擦单元包括第一摩擦层和第二摩擦层；第一摩擦层与第二摩擦层相互摩擦后，第一摩擦层带正电荷，第二摩擦层带负电荷；导电流体电极安装在基底上，摩擦单元对导电流体电极和基底进行封装。第一摩擦层为封装层，第二摩擦层为人体皮肤。所述导电流体电极为碳纳米管/硅橡胶复合导电流体，位于第一摩擦层和基底中间，所述封装层和基底采用ECOFLEX系列硅橡胶制备。本专利技术的超弹性密码盘，其每个按键单元的工作原理：基于接触带电和静电感应共同作用产生电能。在最初的状态，第二摩擦起电层-皮肤和第一摩擦起电层-硅橡胶表面彼此紧密接触，从而导致两者之间的电荷转移。通过实验验证，硅橡胶在摩擦过程中相比皮肤更容易获得电子，因而皮肤上的电子注入到硅橡胶薄膜，这就是接触带点过程。产生的摩擦电荷极性相反，刚好被彼此平衡，因而外电路中没有电流。一旦硅橡胶与皮肤发生相对分离，这些摩擦电荷不会被补偿。硅橡胶表面的负电荷能够在碳纳米管/硅橡胶复合导电流体电极上感应出正电荷，从而驱动自由电子从碳纳米管/硅橡胶复合导电流体电极流到地。这个静电感应过程能产生出电压/电流信号。随着皮肤与硅橡胶分离距离的不断增大，当硅橡胶上的负电荷被碳纳米管/硅橡胶复合导电流体电极上感应的正电荷完全屏蔽时，这时TENG将没有输出信号。另外，当皮肤返回接近到硅橡胶薄膜时，电子从地流向碳纳米管/硅橡胶复合导电流体电极，同时碳纳米管/硅橡胶复合导电流体电极上感应的正电荷减少，从而得到反向的输出电压/电流信号。这就是纳米发电机发电的全过程。为实现上述超弹性密码盘，本专利技术采用如下制备方法：(1)制备超弹性基底采用ECOFLEX系列硅橡胶，通过3D打印模具1，再倒模制成。具体的，首先通过SOLIDWORKS绘图软件画出模具1，模具1外围尺寸60mm×60mm×3mm，开槽尺寸50mm×50mm×2mm，开槽内阵列分布9个正方体凸起，每个凸起尺寸10mm×10mm×2mm，正方体凸起与凸起之间间隔5mm，正方形凸起与开槽边沿间隔5mm；通过高精度的3D打印机打印模具1。然后，按质量比为3A：1B～1A：3B均匀混合制得液态硅橡胶，将硅橡胶溶液真空去泡后倒入模具1中，室温下自然固化(23℃，4h)。为了使硅橡胶最大程度上表征出它的优异物理性能，倒模后，对硅橡胶进行后固化处理，放入80℃的烘箱2h，再放入100℃的烘箱1h，即可。(2)制备碳纳米管/硅橡胶复合导电流体以重量比为1CNT：17硅橡胶～1CNT：10硅橡胶均匀混合制成。具体采用如下制备步骤：步骤1：取45mt％～47mt％的硅橡胶PartA溶液置于烧杯中，放入磁转子，将烧杯放置在磁力搅拌机上，以一定转速，搅拌PartA溶液3min～5min。步骤2：取6mt％～10mt％的CNT。步骤3：往步骤1所述PartA溶液中慢慢加入CNT。平均每次加入0.01gCNT，当CNT完全溶入PartA溶液后，再次加入0.01gCNT。步骤4：重复步骤3。随着CNT的不断增加，烧杯中的溶液会逐渐变得粘稠，CNT溶入混合溶液的速度也越来越慢，因此，需要不断地提高磁力搅拌机的转速以保证能CNT溶入混合溶液中。步骤5：提高磁力搅拌机的转速。步骤6：重复步骤3。当混合溶液中混入所取25％～50％的CNT时，增大磁力搅拌机的转速已无法有效的溶入CNT，因此，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具有任意曲面适应性的自驱动超弹性密码盘，其特征在于，所述密码盘包括：基底层、导电流体电极层、封装层；若干导电流体电极安装在基底层上，封装层对基底层和导电流体电极层进行封装，基底层和封装层均采用ECOFLEX系列硅橡胶。

【技术特征摘要】
1.具有任意曲面适应性的自驱动超弹性密码盘，其特征在于，所述密码盘包括：基底层、导电流体电极层、封装层；若干导电流体电极安装在基底层上，封装层对基底层和导电流体电极层进行封装，基底层和封装层均采用ECOFLEX系列硅橡胶。2.根据权利要求1所述的具有任意曲面适应性的自驱动超弹性密码盘，其特征在于，导电流体电极采用碳纳米管/硅橡胶复合导电流体。3.根据权利要求2所述的具有任意曲面适应性的自驱动超弹性密码盘，其特征在于，所述硅橡胶为ECOFLEX系列硅橡胶。4.根据权利要求1所述的具有任意曲面适应性的自驱动超弹性密码盘，其特征在于，所述密码盘上设有若干按键单元，每个按键单元均为自驱动纳米发电机。5.根据权利要求4所述的具有任意曲面适应性的自驱动超弹性密码盘，其特征在于，键盘单元包括：摩擦单元、导电流体电极和基底；摩擦单元包括第一摩擦层和第二摩擦层；第一摩擦层与第二摩擦层相互摩擦后，第一摩擦层带正电荷，第二摩擦层带负电荷；导电流体电极安装在基底上，摩擦单元对导电流体电极和基底进行封装。6.根据权利要求5所述的具有任意曲面适应性的自驱动超弹性密码盘，其特征在于，第一摩擦层为封装层，第二摩擦层为人体皮肤。7.根据权利要求5所述的具有任意曲面适应性的自驱动超弹性密码盘，其特征在于，所述导电流体电极为碳纳米管/硅橡胶复合导电流体，位于第一摩擦层和基底中间，所述封装层和基底采用ECOFLEX系列硅橡胶制备。8.一种权利要求1-7中任意一个所述的具有任意曲面适应性的自驱动超弹性密码盘的制备方法，其特征在于，所述方法包括：(1)制备基底，基底采用ECOFLEX系列硅橡胶，通过3D打印...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓升，邓海涛，向首佳，刘欣，巴雁远，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51