一种高灵敏度应变敏感裂纹结构的定域生成方法

技术领域

本发明属于微纳制造及柔性传感器技术领域，具体涉及一种高灵敏度应变敏感裂纹结构的定域生成方法。

背景技术

柔性应变传感器具有轻薄可拉伸、可原位共形贴合和易实现阵列化检测等优点，在智能人机交互、结构健康检测、装备运行监测和人体运动检测等领域具有重要应用前景。目前，柔性应变传感器主要有复合导电材料、导体几何效应和微裂纹式三种形式，在传感性能方面，前两种形式通常灵敏度较差，而微裂纹式应变传感器由于其导电材料中裂纹的开合变化可引起导电通路和电阻的显著变化，有望实现高性能传感。

然而，传统微裂纹式传感器(如中国专利：公开号CN113074622A、名称为一种基于石墨烯-金复合薄膜裂纹柔性应变传感器及其制备方法；公开号CN110346033A、名称为一种仿蜘蛛柔性低频振动传感器)由一层柔性聚合物平膜基底和涂覆在其上的一层导电材料组成，这种结构形式存在两个突出缺点：首先，传感性能难以调控，由于平膜基底上局部应变呈均匀分布状态，导致导电材料中的裂纹随机扩展，因此裂纹位置和开合程度难以人为调控，制约了传感器灵敏度的调控和提升；另外，裂纹随机扩展极易引发新裂纹的衍生和界面剥落等问题，造成传感器稳定性的下降。以上缺点制约了柔性应变传感器的多场景长时间实际应用，因此，亟需发展一种裂纹定域生成方法，以实现裂纹的可控生成、传感性能的调控和稳定性的提升。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高灵敏度应变敏感裂纹结构的定域生成方法，可以实现敏感裂纹结构的可控定域生成，提高应变传感器的灵敏度和稳定性。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种高灵敏度应变敏感裂纹结构的定域生成方法，先在柔性聚合物基底上制备网格状微沟道，然后在微沟道中填充导电材料形成导电网络，在10％～20％应变下对柔性聚合物基底进行预拉伸，微沟道使得柔性聚合物基底上局部应变呈现非均匀分布状态，纵向沟道的局部应变增强，凸起结构的局部应变削弱，增强的局部应变诱导定域裂纹生成，削弱的局部应变抑制随机裂纹生成，从而在导电网络中诱导出定域化应变敏感裂纹结构。

一种高灵敏度应变敏感裂纹结构的定域生成方法，包括以下步骤：

第一步，柔性聚合物基底上制备网格状微沟道：采用微结构压印工艺、微结构刻蚀等方法在柔性聚合物基底上制备网格状微沟道结构；

第二步，微沟道中填充导电材料形成导电网络：在柔性聚合物基底微沟道中采用刮涂、印刷等工艺填充导电材料，从而形成连续的导电网络；

第三步，预拉伸：以10％～20％应变沿平行于横向沟道的方向对柔性聚合物基底进行多次数的预拉伸-释放循环操作，纵向沟道位置由于横截面积减小，局部应变增强，诱导定域裂纹生成；凸起结构的局部应变削弱，抑制随机裂纹生成，从而在导电材料网络中诱导出定域化应变敏感裂纹结构。

所述的微沟道的深度达到15μm～30μm时诱导定域裂纹，深度太浅时，对局部应变的调控作用较弱，预拉伸时会在横向沟道中产生随机裂纹；深度的增大增强纵向沟道的局部应变，同时削弱凸起结构的局部应变，有利于诱导定域裂纹。

所述的微沟道在交叉点的一侧设有颈缩结构，增强导电材料的应力集中效应，促使裂纹仅在颈缩一侧断裂。

所述的定域裂纹在应变作用下呈V形张开，引起导电通路数量的减小和电阻的增大，实现应变传感。

所述的微沟道的沟道宽度为10μm～30μm，沟道周期为40μm～150μm，改变沟道宽度和沟道周期能够调控定域裂纹的位置和开合程度。

所述的柔性聚合物基底采用聚二甲基硅氧烷、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇、紫外固化胶等。

所述的导电材料采用碳纳米管、石墨烯、炭黑、金属纳米颗粒、金属纳米线、Mxene、导电聚合物或其混合材料等。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明提出一种高灵敏度应变敏感裂纹结构的定域生成方法，可通过调控沟道宽度和沟道周期人为调控定域裂纹的位置和开合程度，实现传感器性能的调控和提升，为传感器多场景应用提供了有效调控策略。

(2)本发明通过增强裂纹位置的局部应变，实现了裂纹宽度的提升，可显著增强应变传感灵敏度；通过削弱其余位置的局部应变，抑制了随机裂纹的扩展，实现了传感器稳定性的提升。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为本发明的原理示意图。

图3为本发明柔性聚合物基底网格状微沟道的示意图。

图4为本发明网格状微沟道填充导电材料后的示意图。

图5为本发明实施例和其他几种不同深度结构的裂纹形貌电镜图。

图6为本发明实施例和无颈缩结构的裂纹形貌对比电镜图。

图7为本发明实施例定域裂纹随应变增大的形貌演变电镜图。

图8为本发明实施例在0％和5％应变下的裂纹形貌对比电镜图。

具体实施方式

下面将结合实施例和附图对本发明做详细阐述。

如图1和图2所示，一种高灵敏度应变敏感裂纹结构的定域生成方法，先在柔性聚合物基底上制备网格状微沟道1，然后在微沟道1中填充导电材料2形成导电网络，在10％～20％应变下对柔性聚合物基底进行预拉伸时，微沟道1使得柔性聚合物基底上局部应变呈现非均匀分布状态，纵向沟道3的局部应变增强，凸起结构4的局部应变削弱，增强的局部应变诱导导电材料在交叉点处生成裂纹，同时增大裂纹宽度，提高应变传感的灵敏度；削弱的局部应变抑制横向沟道6中产生随机裂纹，从而在导电网络中诱导出定域裂纹5，即在导电网络中诱导出定域化应变敏感裂纹结构，提高应变传感的稳定性。

参照图1和图2，一种高灵敏度应变敏感裂纹结构的定域生成方法，包括以下步骤：

第一步，柔性聚合物基底上制备网格状微沟道：采用微结构压印工艺，以硅基微结构为模板在聚二甲基硅氧烷薄膜上制备网格状微沟道1，如图3所示，本实施例沟道深度h为20μm，沟道宽度w为10μm，沟道周期p为90μm；

第二步，微沟道中填充导电材料形成导电网络：采用刮涂工艺在柔性聚合物基底的微沟道1中填充导电材料2，从而形成连续的导电网络，如图4所示，本实施例中导电材料采用碳纳米管；

第三步，预拉伸：以10％的应变沿平行于横向沟道6的方向对柔性聚合物基底进行30次预拉伸-释放循环操作，纵向沟道3位置由于横截面积减小，局部应变增强，诱导导电材料2在交叉点断裂生成裂纹；凸起结构4的局部应变削弱，抑制约束在横向沟道6中的导电材料2产生随机裂纹，从而在导电网络中诱导出定域裂纹5，如图2所示。

所述的微沟道1的深度h达到15μm～30μm时可有效诱导定域裂纹，图5展示了本实施例(深度20μm)和其他几种不同深度结构(深度15μm、深度10μm、深度5μm)在相同预拉伸后的裂纹形貌对比电镜图，可以发现，深度太浅时(小于15μm)，由于微沟道结构对局部应变的调控作用较弱，预拉伸时会产生随机裂纹；深度的增大可增强纵向沟道的局部应变，同时削弱凸起结构的局部应变，当深度达到15μm时，可有效诱导定域裂纹，抑制随机裂纹的产生。

所述的微沟道1在交叉点的一侧设有颈缩结构，可以增强应力集中效应，促使裂纹仅在颈缩一侧定域断裂，图6展示了有颈缩结构和无颈缩结构的裂纹形貌，对比可以发现，颈缩结构可以有效促使裂纹仅在颈缩侧断裂而非随机一侧断裂。

应变敏感定域裂纹的应变传感原理为:当薄膜受到应变作用时，导电材料中的定域裂纹5呈V形张开，引起导电通道数量的减少和电阻的增大。图7展示了不同应变下定域裂纹的形貌电镜图，可以发现，随着应变的增大，定域裂纹自上而下逐渐张开，导电通路逐渐减少。

本实施例形成的定域裂纹5可有效增强灵敏度和稳定性，由于纵向沟道3局部应变显著增强，沟道宽度可显著提升，从而提高应变传感的灵敏度。如图8所示，对比在0％应变和5％应变下的裂纹形貌，可以发现定域裂纹5宽度显著增大，有利于增强灵敏度；而凸起结构4长度几乎不变，可有效避免横向沟道6中随机裂纹扩展导致的稳定性衰减。