一种应变响应柔性器件及其制备方法和应用

本发明涉及柔性应变器件，尤其是涉及一种应变响应柔性器件及其制备方法和应用。

背景技术：

1、柔性传感器的制备方法与传统的传感器制造技术在本质上并无显著差异。然而，随着检测需求的不断提高，传统材料已无法满足这些需求。因此，纳米材料逐渐成为构成传感器结构的关键组分。在众多制备纳米材料的方法中，脱合金、等离子体烧结、热压和水热法等物理化学方法占据重要地位。尽管上述方法在诱导纳米结构方面具有一定的效果，但仍存在成本过高、操作复杂等问题。

2、目前，柔性器件的制备技术主要包括印刷、涂覆、喷墨打印、激光刻蚀等，上述方法可以制备出具有良好柔性和导电性能的柔性电子器件，然而仍存在一些局限性；例如，印刷和涂覆方法在精度和分辨率方面受到限制，喷墨打印方法对于复杂图案的制备能力有限，激光刻蚀方法则可能引入损伤和缺陷。

3、此外，石墨烯作为一种具备优异的机械性能和导电性的材料，在柔性传感器中具有巨大的应用潜力。然而，现有的石墨烯制备过程中仍存在一些问题；例如，机械剥离法产量低、成本高，氧化还原法存在环境污染和工艺复杂的问题，气相沉积法需要高真空环境，对设备要求较高等。

4、鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种应变响应柔性器件及其制备方法和应用，该制备方法具有简洁高效、对衬底无损伤等优势，制备出的应变响应柔性器件具有较宽的检测范围，能够提供准确可靠的应力、应变数据。

2、本发明提供一种应变响应柔性器件的制备方法，包括如下步骤：

3、s1：将胶带粘附在聚二甲基硅氧烷(pdms)柔性衬底上；

4、s2：采用纳秒脉冲激光对pdms柔性衬底上的胶带进行加工，在pdms柔性衬底上形成多孔石墨烯结构；

5、s3：对形成有多孔石墨烯结构的pdms柔性衬底进行电极安装和导线焊接，制得应变响应柔性器件。

6、具体地，胶带具有表层和粘结层，胶带通过粘结层粘附在pdms柔性衬底上，纳秒脉冲激光对胶带的表层进行加工。特别是，胶带表层的材质为聚酰亚胺，胶带的厚度为50-80微米。

7、纳秒脉冲激光的输出功率为30w，中心波长为1064nm；纳秒脉冲激光的光斑直径为30-40微米；加工条件包括：加工功率为输出功率的4.5-5％，重复频率为3-5khz，扫描速度为140-160mm/s。此外，纳秒脉冲激光以线扫描方法对胶带的整个表层进行加工；纳秒脉冲激光的扫描间距为30-50微米。

8、本发明的上述制备方法使用输出功率为30w，中心波长为1064纳米的纳秒脉冲激光，通过调节焦距，以4.5％-5％的原始激光功率及3-5khz的重复频率，在紧贴pdms柔性衬底表面的胶带上直接诱导出多孔石墨烯结构；该制备过程具有快速性特点，且无需进行复杂的前期处理，能够尽可能消除部分对热敏感材料的热效应影响，所制备的多孔石墨烯微纳米结构显示出较高的孔隙率和较大的比表面积，这些特性使其适宜在柔性应变传感器上应用，并表现出良好的响应性。

9、本发明还提供一种应变响应柔性器件，按照上述制备方法制得。

10、通过上述制备方法将pdms柔性衬底上的胶带诱导出多孔石墨烯结构后进行简易封装并连接导线后，即可制得应变响应柔性器件；随后，可利用曲率变化的测试方式，在应变测试平台上进行应变性能测试。

11、本发明还提供上述应变响应柔性器件在应变响应测试中的应用。

12、本发明的实施，至少具有以下优势：

13、1、本发明采用纳秒激光加工方法在柔性衬底上实现了一步制备多孔石墨烯结构，相较于复杂的柔性传感层制备过程和石墨烯制备技术，具有简洁高效、无需进行复杂的前期处理、对柔性pdms衬底无额外损伤等优势；

14、2、本发明制备方法制备的多孔石墨烯微纳米结构显示出较高的孔隙率和较大的比表面积，通过这种方法制备出的应变响应器件具有较宽的检测范围，能够提供准确可靠的应力、应变数据，此外还具有轻便便携的特点，体积小、重量轻，便于携带和现场测试；

15、3、本发明的应变响应柔性器件具有简单的操作方式，可以粘贴式的方式附着在人体表面进行测试，通过无线模块等的集成来达到测试人体各项运动的需求，这些特点使得该应变响应柔性器件在实际应用中具有广泛的前景。

技术特征：

1.一种应变响应柔性器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，胶带具有表层和粘结层，胶带通过粘结层粘附在pdms柔性衬底上，纳秒脉冲激光对胶带的表层进行加工。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，胶带表层的材质为聚酰亚胺，胶带的厚度为50-80微米。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，纳秒脉冲激光的输出功率为30w，中心波长为1064nm。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，纳秒脉冲激光的光斑直径为30-40微米。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，加工条件包括：加工功率为输出功率的4.5-5％，重复频率为3-5khz，扫描速度为140-160mm/s。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，纳秒脉冲激光以线扫描方法对胶带的整个表层进行加工。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，纳秒脉冲激光的扫描间距为30-50微米。

9.一种应变响应柔性器件，其特征在于，按照权利要求1-8任一所述的制备方法制得。

10.权利要求9所述的应变响应柔性器件在应变响应测试中的应用。

技术总结本发明提供了一种应变响应柔性器件及其制备方法和应用。本发明的应变响应柔性器件的制备方法，包括如下步骤：S1：将胶带粘附在PDMS柔性衬底上；S2：采用纳秒脉冲激光对PDMS柔性衬底上的胶带进行加工，在PDMS柔性衬底上形成多孔石墨烯结构；S3：对形成有多孔石墨烯结构的PDMS柔性衬底进行电极安装和导线焊接，制得应变响应柔性器件。本发明采用纳秒激光加工方法在柔性衬底上实现了一步制备多孔石墨烯结构，具有简洁高效、对衬底无损伤等优势，制备出的应变响应柔性器件具有较宽的检测范围，能够提供准确可靠的应力、应变数据，在实际应用中具有广泛的应用前景。技术研发人员：张成云,杨海林,岑奕桦,颜晓明,陈蔚潇,林铭杰,胡祥越,李泓一,张宝莹受保护的技术使用者：广州大学技术研发日：技术公布日：2024/5/8