本發(fā)明涉及柔性電子，尤其涉及一種基于液態(tài)金屬復(fù)合材料的柔性壓力傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，由于可穿戴設(shè)備、電子皮膚、人機(jī)交互和智能機(jī)器人的需求不斷增加，尤其對柔性、可拉伸性等需求逐漸突出，柔性傳感器逐漸引起了國內(nèi)外學(xué)者極大的關(guān)注。傳統(tǒng)柔性觸覺傳感器主要依賴于可拉伸襯底和柔性導(dǎo)電材料，其中柔性導(dǎo)電材料包括：碳納米管、石墨烯納米片、銀納米線、金屬納米粒子和石墨粒子等。

2、研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)柔性導(dǎo)電材料存在導(dǎo)電性較差、硬度較高、穩(wěn)定性較差等問題，而室溫鎵基液態(tài)金屬同時具備金屬導(dǎo)電性和液態(tài)可變形能力，且其還具有不易揮發(fā)、毒性低、生物親和性好的特性，因此，鎵基液態(tài)金屬是研究柔性觸覺傳感器的天然材料選擇。液態(tài)金屬因其液態(tài)的特性，能夠敏銳地響應(yīng)外界施加的壓力，從而產(chǎn)生電阻變化，能大大提高柔性傳感器的靈敏度。但是液態(tài)金屬巨大的表面張力使液態(tài)金屬之間極易自發(fā)融合，加工難度較大，且容易泄露，在實際使用過程中存在界面殘留等問題。

3、例如，公開號為cn111289158a，公開日為2020年6月16日，名稱為“一種柔性壓力傳感器與柔性壓力傳感陣列”的中國發(fā)明專利公開了一種柔性壓力傳感器與柔性壓力傳感陣列，該傳感器電極層中填有微米級銀片，傳感層填有納米炭黑顆粒，通過對電極層的幾何形狀和傳感層的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行可拉伸設(shè)計，有效提升了壓力傳感器的柔性及延展性。在該技術(shù)方案中，所采用的納米炭黑顆粒易受到分散性的影響，容易團(tuán)聚體，并導(dǎo)致材料的導(dǎo)電性能下降。

4、又例如，公開號為cn110823423a，公開日為2020年2月21日，名稱為“一種液態(tài)金屬柔性壓力傳感器及其制備方法”的中國發(fā)明專利公開了一種液態(tài)金屬柔性壓力傳感器，該傳感器將導(dǎo)電納米顆粒加入pdms制成預(yù)設(shè)形狀的壓力傳感單元，微流道中灌注有不斷開的液態(tài)金屬電極，液態(tài)金屬電極與壓力傳感單元相接觸。在該技術(shù)方案中，其通過增加導(dǎo)電納米顆粒的含量可以提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性，但這種手段同樣會降低復(fù)合材料的拉伸性。

5、再例如，公開號為cn115235658a，公開日為2022年10月25日，名稱為“一種柔性多孔壓力傳感器的制備方法及柔性多孔壓力傳感器”的中國發(fā)明專利公開了一種柔性多孔壓力傳感器，其將液態(tài)金屬注入到纖維的內(nèi)部，當(dāng)纖維彎曲過程中，由于內(nèi)部液態(tài)金屬體積被壓縮，所以導(dǎo)致電阻變化，從而有效提高液態(tài)金屬電阻變化的精確測量能力。然而，在該技術(shù)方案中，如圖1所示，圖1示意性地顯示了現(xiàn)有技術(shù)基于液態(tài)金屬宏觀結(jié)構(gòu)變形的柔性應(yīng)變傳感器的電阻變化特性曲線，當(dāng)圖1所示實施例的柔性應(yīng)變傳感器彎曲5cm時，該柔性應(yīng)變傳感器的電阻變化小于4%，其存在壓阻靈敏度差的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決背景技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供了一種基于液態(tài)金屬復(fù)合材料的柔性壓力傳感器及其制備方法，以解決現(xiàn)有的柔性壓力傳感器所存在的拉伸性、導(dǎo)電性和壓阻靈敏性不高的問題，其具有柔性好、導(dǎo)電性強(qiáng)、壓阻靈敏度高的優(yōu)異特征。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于液態(tài)金屬復(fù)合材料的柔性壓力傳感器，其包括：由內(nèi)向外依次設(shè)置的液態(tài)金屬復(fù)合材料層、液態(tài)金屬電極層和柔性封裝層；所述液態(tài)金屬電極層設(shè)于所述液態(tài)金屬復(fù)合材料層的上下兩側(cè)，且所述柔性封裝層用于封裝所述液態(tài)金屬電極層；其中，所述液態(tài)金屬復(fù)合材料層包括柔性聚合物基底和設(shè)于柔性聚合物基底中的多個液態(tài)金屬彈珠，所述液態(tài)金屬彈珠由內(nèi)部的液態(tài)金屬液滴和外部包裹層組成，所述外部包裹層為金屬鎳粉末。

3、進(jìn)一步的，在本發(fā)明所述的柔性壓力傳感器中，所述金屬鎳粉末為具有尖刺狀突起的不規(guī)則顆粒，所述不規(guī)則顆粒包括星形顆粒、海膽狀顆粒或樹枝狀顆粒。

4、進(jìn)一步的，在本發(fā)明所述的柔性壓力傳感器中，所述金屬鎳粉末均勻包覆在所述液態(tài)金屬液滴上。

5、在本發(fā)明上述技術(shù)方案中，設(shè)置液態(tài)金屬彈珠由金屬鎳粉末均勻地包裹在液態(tài)金屬液滴表面形成，可以保證在液態(tài)金屬復(fù)合材料層中金屬鎳粉末集中分布在液態(tài)金屬液滴的界面處。

6、進(jìn)一步的，在本發(fā)明所述的柔性壓力傳感器中，多個所述液態(tài)金屬彈珠緊密且均勻地填充在所述柔性聚合物基底中。

7、進(jìn)一步的，在本發(fā)明所述的柔性壓力傳感器中，所述液態(tài)金屬電極層包括液態(tài)金屬與金屬粉末/非金屬粉末的混合物，所述柔性封裝層包括柔性聚合物。

8、在本發(fā)明上述技術(shù)方案中，在實際制備時，液態(tài)金屬電極層可以由液態(tài)金屬和金屬/非金屬粉末的混合物得到，其具有較高的粘度、可拉伸性以及對液態(tài)金屬復(fù)合材料層的上下表面良好的粘附性。

9、進(jìn)一步的，在本發(fā)明所述的柔性壓力傳感器中，所述液態(tài)金屬為純鎵、鎵銦合金或鎵銦錫合金。

10、進(jìn)一步的，在本發(fā)明所述的柔性壓力傳感器中，所述金屬粉末為鐵粉或銅粉。

11、相應(yīng)地，本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于液態(tài)金屬復(fù)合材料的柔性壓力傳感器的制備方法，該制備方法用于制備本發(fā)明上述的柔性壓力傳感器，且其具體包括以下步驟s1-s5：

12、s1：制備多個液態(tài)金屬液滴，將制得的多個液態(tài)金屬液滴在金屬鎳粉末層表面滾動并形成均勻的外部包裹層，以得到多個液態(tài)金屬彈珠，并對多個所述液態(tài)金屬彈珠冷凍固化；

13、s2：將冷凍固化后的多個所述液態(tài)金屬彈珠緊密且均勻地堆積在待澆筑模具中，向所述待澆筑模具中澆注柔性聚合物材料，并通過真空環(huán)境輔助所述柔性聚合物材料滲透至多個所述液態(tài)金屬彈珠之間的間隙，而后執(zhí)行加熱固化工藝，以得到液態(tài)金屬復(fù)合材料層；

14、s3：將液態(tài)金屬與金屬粉末/非金屬粉末在濃鹽酸環(huán)境下充分?jǐn)嚢璨⒒旌暇鶆?，以得到液態(tài)金屬混合物電極材料；

15、s4：將所述液態(tài)金屬混合物電極材料涂覆在所述液態(tài)金屬復(fù)合材料層上下兩側(cè)表面，以形成液態(tài)金屬電極層；

16、s5：從所述液態(tài)金屬電極層引出導(dǎo)線并澆注柔性聚合物材料，而后執(zhí)行加熱固化工藝，以得到柔性封裝層。

17、進(jìn)一步的，在本發(fā)明所述的制備方法中，在步驟s1中，具體為：采用超聲分散、機(jī)械剪切分散或微流控方法分別制備亞微米至毫米級粒徑的多個液態(tài)金屬液滴，將制得的多個液態(tài)金屬液滴在金屬鎳粉末層表面滾動并形成均勻的外部包裹層，以得到多個液態(tài)金屬彈珠，并控制多個所述液態(tài)金屬彈珠在-40℃-0℃下冷凍固化。

18、進(jìn)一步的，在本發(fā)明所述的制備方法中，在步驟s2中，所述加熱固化工藝為：控制加熱溫度為60℃-80℃，控制加熱時間為2-4h。

19、本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供了一種基于液態(tài)金屬復(fù)合材料的柔性壓力傳感器，該柔性壓力傳感器設(shè)置并采用了新的液態(tài)金屬復(fù)合材料，其液態(tài)金屬復(fù)合材料層包括柔性聚合物基底和設(shè)于柔性聚合物基底中的多個液態(tài)金屬彈珠，以利用液態(tài)金屬彈珠填充柔性聚合物材料形成導(dǎo)電復(fù)合材料，并通過提升液態(tài)金屬彈珠的數(shù)量，改善導(dǎo)電性，使最終獲得的液態(tài)金屬復(fù)合材料層具備較好的初始導(dǎo)電性。同時，針對所形成的液態(tài)金屬復(fù)合材料層，在提升液態(tài)金屬彈珠的填充比例以增強(qiáng)復(fù)合材料導(dǎo)電性的同時，不僅不會明顯增大液態(tài)金屬復(fù)合材料的彈性模量，也不會破壞柔性聚合物材料的柔韌性。

20、同時，所設(shè)計的液態(tài)金屬彈珠由內(nèi)部的液態(tài)金屬液滴和外部包裹層組成，且外部包裹層為金屬鎳粉末，該金屬鎳粉末具有尖刺狀突起結(jié)構(gòu)，且較為集中地分布在液態(tài)金屬液滴界面處，其在外力作用下尖刺破壞聚合物層并在液態(tài)金屬間構(gòu)建新的導(dǎo)電通道，顯著地改變液態(tài)金屬復(fù)合材料的電阻特性，因此柔性壓力傳感器可以表現(xiàn)出較高的應(yīng)力應(yīng)變靈敏度。

21、相應(yīng)地，本發(fā)明還公開了一種基于液態(tài)金屬復(fù)合材料的柔性壓力傳感器的制備方法，該制備方法用于制備本發(fā)明上述的柔性壓力傳感器，其制備方法簡單，加工難度較低，可以有效減少時間成本。