基于液態金屬復合材料的柔性壓力傳感器及其制備方法

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

背景技術：

1、近年來，由于可穿戴設備、電子皮膚、人機交互和智能機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外學者極大的關注。傳統柔性觸覺傳感器主要依賴于可拉伸襯底和柔性導電材料，其中柔性導電材料包括：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、研究發現，傳統柔性導電材料存在導電性較差、硬度較高、穩定性較差等問題，而室溫鎵基液態金屬同時具備金屬導電性和液態可變形能力，且其還具有不易揮發、毒性低、生物親和性好的特性，因此，鎵基液態金屬是研究柔性觸覺傳感器的天然材料選擇。液態金屬因其液態的特性，能夠敏銳地響應外界施加的壓力，從而產生電阻變化，能大大提高柔性傳感器的靈敏度。但是液態金屬巨大的表面張力使液態金屬之間極易自發融合，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構進行可拉伸設計，有效提升了壓力傳感器的柔性及延展性。在該技術方案中，所采用的納米炭黑顆粒易受到分散性的影響，容易團聚體，并導致材料的導電性能下降。

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

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”的中國發明專利公開了一種柔性多孔壓力傳感器，其將液態金屬注入到纖維的內部，當纖維彎曲過程中，由于內部液態金屬體積被壓縮，所以導致電阻變化，從而有效提高液態金屬電阻變化的精確測量能力。然而，在該技術方案中，如圖1所示，圖1示意性地顯示了現有技術基于液態金屬宏觀結構變形的柔性應變傳感器的電阻變化特性曲線，當圖1所示實施例的柔性應變傳感器彎曲5cm時，該柔性應變傳感器的電阻變化小于4%，其存在壓阻靈敏度差的問題。

技術實現思路

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

2、為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：一種基于液態金屬復合材料的柔性壓力傳感器，其包括：由內向外依次設置的液態金屬復合材料層、液態金屬電極層和柔性封裝層；所述液態金屬電極層設于所述液態金屬復合材料層的上下兩側，且所述柔性封裝層用于封裝所述液態金屬電極層；其中，所述液態金屬復合材料層包括柔性聚合物基底和設于柔性聚合物基底中的多個液態金屬彈珠，所述液態金屬彈珠由內部的液態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、進一步的，在本發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則顆粒，所述不規則顆粒包括星形顆粒、海膽狀顆粒或樹枝狀顆粒。

4、進一步的，在本發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金屬液滴上。

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

6、進一步的，在本發明所述的柔性壓力傳感器中，多個所述液態金屬彈珠緊密且均勻地填充在所述柔性聚合物基底中。

7、進一步的，在本發明所述的柔性壓力傳感器中，所述液態金屬電極層包括液態金屬與金屬粉末/非金屬粉末的混合物，所述柔性封裝層包括柔性聚合物。

8、在本發明上述技術方案中，在實際制備時，液態金屬電極層可以由液態金屬和金屬/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金屬復合材料層的上下表面良好的粘附性。

9、進一步的，在本發明所述的柔性壓力傳感器中，所述液態金屬為純鎵、鎵銦合金或鎵銦錫合金。

10、進一步的，在本發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、相應地，本發明的另一目的在于提供一種基于液態金屬復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：制備多個液態金屬液滴，將制得的多個液態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，以得到多個液態金屬彈珠，并對多個所述液態金屬彈珠冷凍固化；

13、s2：將冷凍固化后的多個所述液態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，并通過真空環境輔助所述柔性聚合物材料滲透至多個所述液態金屬彈珠之間的間隙，而后執行加熱固化工藝，以得到液態金屬復合材料層；

14、s3：將液態金屬與金屬粉末/非金屬粉末在濃鹽酸環境下充分攪拌并混合均勻，以得到液態金屬混合物電極材料；

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

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

17、進一步的，在本發明所述的制備方法中，在步驟s1中，具體為：采用超聲分散、機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金屬液滴，將制得的多個液態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，以得到多個液態金屬彈珠，并控制多個所述液態金屬彈珠在-40℃-0℃下冷凍固化。

18、進一步的，在本發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、本發明的有益效果在于：本發明提供了一種基于液態金屬復合材料的柔性壓力傳感器，該柔性壓力傳感器設置并采用了新的液態金屬復合材料，其液態金屬復合材料層包括柔性聚合物基底和設于柔性聚合物基底中的多個液態金屬彈珠，以利用液態金屬彈珠填充柔性聚合物材料形成導電復合材料，并通過提升液態金屬彈珠的數量，改善導電性，使最終獲得的液態金屬復合材料層具備較好的初始導電性。同時，針對所形成的液態金屬復合材料層，在提升液態金屬彈珠的填充比例以增強復合材料導電性的同時，不僅不會明顯增大液態金屬復合材料的彈性模量，也不會破壞柔性聚合物材料的柔韌性。

20、同時，所設計的液態金屬彈珠由內部的液態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構，且較為集中地分布在液態金屬液滴界面處，其在外力作用下尖刺破壞聚合物層并在液態金屬間構建新的導電通道，顯著地改變液態金屬復合材料的電阻特性，因此柔性壓力傳感器可以表現出較高的應力應變靈敏度。

21、相應地，本發明還公開了一種基于液態金屬復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。