本發(fā)明涉及壓敏材料，具體涉及一種大量程高響應(yīng)的壓敏材料復(fù)合結(jié)構(gòu)與工藝優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
1、在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、智能座椅、醫(yī)療康復(fù)、人機(jī)交互等眾多領(lǐng)域，對(duì)壓力檢測(cè)的需求持續(xù)增長(zhǎng)。然而，傳統(tǒng)壓力傳感器存在明顯不足，量程較小且響應(yīng)速度慢，難以準(zhǔn)確及時(shí)捕捉大壓力范圍或快速變化的壓力信號(hào)；傳統(tǒng)壓力傳感器多采用剛性材料或結(jié)構(gòu)，柔韌性較差，使其在貼合人體或不規(guī)則表面進(jìn)行壓力檢測(cè)時(shí)存在困難，無(wú)法與檢測(cè)對(duì)象良好貼合，容易產(chǎn)生檢測(cè)盲區(qū)，降低檢測(cè)精度。同時(shí)，透氣性不佳的問(wèn)題也較為突出，
2、多層功能織物堆疊的高密度陣列壓力分布傳感器是一種以多層具有特定功能的織物材料為核心結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)接觸表面壓力大小、分布區(qū)域及動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行高精度、高分辨率檢測(cè)的柔性傳感器，其利用織物材料的柔韌性、透氣性及可編織性，結(jié)合多層堆疊結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，可將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為可量化的電信號(hào)，并通過(guò)陣列化布局實(shí)現(xiàn)對(duì)二維或三維壓力分布的實(shí)時(shí)感知，具有廣闊應(yīng)用前景。但實(shí)現(xiàn)高精度、高分辨率檢測(cè)以及穩(wěn)定的二維或三維壓力分布實(shí)時(shí)感知面臨諸多問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)在滿足這些需求上存在差距。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于，提出一種大量程高響應(yīng)的壓敏材料復(fù)合結(jié)構(gòu)與工藝優(yōu)化方法，該技術(shù)方案能夠提升壓力傳感器的量程和響應(yīng)。
2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，第一方面，本發(fā)明提供一種大量程高響應(yīng)的壓敏材料工藝優(yōu)化方法，包括：
3、聚合物顆粒表面涂層優(yōu)化，將聚合物顆粒浸沒(méi)于導(dǎo)電復(fù)合涂層溶液中；通過(guò)機(jī)械攪拌與超聲分散使顆粒表面形成均勻包覆層，經(jīng)干燥固化，獲得表面涂層優(yōu)化的聚合物顆粒；
4、異形截面聚合纖維制備，采用微流控紡絲技術(shù)，將表面涂層優(yōu)化的聚合物顆粒熔融后，通過(guò)噴絲板擠出，形成異形截面聚合纖維，隨后對(duì)纖維進(jìn)行拉伸及定型處理，并在纖維表面構(gòu)建凸起結(jié)構(gòu)；
5、單股壓敏線編制，將若干根所述異形截面聚合纖維加捻合股，并控制捻向使纖維間形成分布式導(dǎo)電網(wǎng)；隨后采用熱機(jī)械定型工藝，使單股壓敏線形成周期性波浪線形；
6、雙面突觸織物編織，將預(yù)成型為波浪線形的單股壓敏線沿經(jīng)向和緯向正交排布，并在對(duì)接點(diǎn)處采用局部熱壓固定，形成網(wǎng)格狀突觸陣列和凹槽網(wǎng)絡(luò)；突觸尖端為圓弧形微應(yīng)變觸發(fā)區(qū)；
7、多層功能織物堆疊結(jié)構(gòu)組裝，制備電極層、壓敏層和封裝層，按照上封裝層、上電極層、壓敏層、下電極層、下封裝層順序堆疊。
8、基礎(chǔ)方案的有益效果：異形截面聚合纖維的凸起結(jié)構(gòu)與單股壓敏線的周期性波浪線形形成雙重形變緩沖空間：低壓力下，波浪結(jié)構(gòu)輕微舒展即可觸發(fā)信號(hào)；高壓力下，波浪形完全展平、凸起結(jié)構(gòu)壓縮變形，仍能保持導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)連通，避免傳統(tǒng)壓敏材料因過(guò)度壓縮導(dǎo)致的導(dǎo)電通路斷裂，顯著拓寬壓力感知范圍。
9、雙面突觸織物的網(wǎng)格狀突觸陣列進(jìn)一步分散壓力：壓力作用時(shí)，多個(gè)突觸尖端（圓弧形微應(yīng)變觸發(fā)區(qū)）同步受力，避免局部應(yīng)力集中導(dǎo)致的感知盲區(qū)，確保全量程內(nèi)壓力信號(hào)的均勻采集。
10、聚合物顆粒表面采用均勻?qū)щ姀?fù)合涂層，并將若干根纖維加捻形成導(dǎo)電網(wǎng)，導(dǎo)電通路呈三維網(wǎng)狀分布，壓力作用下導(dǎo)電網(wǎng)的電阻變化可快速傳導(dǎo)，通過(guò)表面涂層的導(dǎo)電填料梯度設(shè)計(jì)，降低電荷傳輸弛豫時(shí)間，使傳感器在高頻擠壓下的信號(hào)延遲降低，解決傳統(tǒng)壓敏材料因?qū)щ娡凡痪鶎?dǎo)致的響應(yīng)延遲問(wèn)題。
11、圓弧形突觸尖端的微應(yīng)變觸發(fā)設(shè)計(jì)，尖端區(qū)域的形變靈敏度遠(yuǎn)高于織物主體，即使微小壓力也能引發(fā)明顯的電阻變化，提升材料對(duì)微壓信號(hào)的捕捉能力。
12、通過(guò)調(diào)整異形纖維的截面形狀、凸起結(jié)構(gòu)的高度與密度、波浪線形的周期長(zhǎng)度，可精準(zhǔn)調(diào)控壓敏材料的靈敏度與量程：例如，增加凸起結(jié)構(gòu)密度可提升微壓靈敏度，增大波浪周期可拓寬高壓量程，滿足不同場(chǎng)景（如醫(yī)療領(lǐng)域的人體脈搏監(jiān)測(cè)需高靈敏度，工業(yè)領(lǐng)域的壓力檢測(cè)需大量程）的定制化需求。
13、通過(guò)多絲線組合的冗余設(shè)計(jì)，即使部分纖維斷裂，整體電阻變化率仍控制在±5%以?xún)?nèi)，適用于長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景（如運(yùn)動(dòng)姿態(tài)分析）。
14、雙面突觸織物的網(wǎng)格狀突觸陣列可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)定位傳感，不同網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的信號(hào)差異可反推壓力作用位置，結(jié)合電極層的陣列設(shè)計(jì)，可構(gòu)建二維壓力分布圖（如壓力分布監(jiān)測(cè)），拓展從單點(diǎn)傳感到面陣列傳感的功能。
15、本工藝優(yōu)化方法通過(guò)微觀涂層改性提升導(dǎo)電性、介觀異形結(jié)構(gòu)優(yōu)化形變能力、宏觀織物編織與多層堆疊實(shí)現(xiàn)功能集成，最終制備的壓敏材料同時(shí)具備大量程（寬壓力感知范圍）、高響應(yīng)（快響應(yīng)速度、高靈敏度）、高穩(wěn)定、高柔性的核心優(yōu)勢(shì)，且工藝兼容規(guī)模化生產(chǎn)，可廣泛應(yīng)用于柔性電子、醫(yī)療健康、工業(yè)檢測(cè)、智能穿戴等領(lǐng)域，解決傳統(tǒng)壓敏材料量程與響應(yīng)不可兼得、柔性與穩(wěn)定性矛盾、規(guī)模化生產(chǎn)難等問(wèn)題。
16、作為一種可實(shí)施的優(yōu)選方案，制備電極層，包括以下內(nèi)容：
17、采用熔融沉積粘接工藝，將含金屬納米銀線的導(dǎo)電漿料加熱至熔融態(tài)，涂布于織物表面，固化形成連續(xù)電極層。
18、作為一種可實(shí)施的優(yōu)選方案，所述電極層表面通過(guò)紫外激光器進(jìn)行光熱燒蝕，形成物理隔離槽。
19、作為一種可實(shí)施的優(yōu)選方案，壓敏層制備，包括以下內(nèi)容：
20、將碳納米管和/或石墨烯與聚合物顆粒混合，通過(guò)調(diào)控填料濃度和分布，形成壓敏層；壓敏層上下表面分別與上、下電極層通過(guò)熱壓實(shí)現(xiàn)全區(qū)域緊密貼合，構(gòu)成電阻變化捕捉回路。
21、作為一種可實(shí)施的優(yōu)選方案，壓敏層采用微金字塔或多孔泡沫微結(jié)構(gòu)。
22、作為一種可實(shí)施的優(yōu)選方案，封裝層制備，包括以下內(nèi)容：
23、選用厚tpu或硅膠彈性薄膜，與織物熱壓復(fù)合；封裝層邊緣經(jīng)超聲波焊接無(wú)縫密封。
24、作為一種可實(shí)施的優(yōu)選方案，所述封裝層采用多層阻隔結(jié)構(gòu)，以聚酯纖維織物為基底，通過(guò)織物覆膜工藝依次層壓厚熱熔膠膜和高分子防水膜。
25、作為一種可實(shí)施的優(yōu)選方案，所述異形截面聚合纖維的噴絲板形狀為圓形、星形或多孔中空結(jié)構(gòu)。
26、作為一種可實(shí)施的優(yōu)選方案，所述多層功能織物堆疊結(jié)構(gòu)的組裝采用邊緣超聲波焊接，參數(shù)為：頻率20khz，振幅40μm，壓力0.4mpa，焊接時(shí)間3秒。
27、第二方面，本發(fā)明還提供一種大量程高響應(yīng)的壓敏材料，運(yùn)用了上述的一種大量程高響應(yīng)的壓敏材料工藝優(yōu)化方法，包括自上而下依次層疊設(shè)置的上封裝層、上電極層、壓敏層、下電極層和下封裝層，形成多層功能織物堆疊結(jié)構(gòu)；
28、所述的壓敏層的上表面和下表面分別與所述的上電極層和下電極層緊密貼合，構(gòu)成電阻變化捕捉回路；
29、所述的上電極層和下電極層均包含織物基底及通過(guò)熔融涂覆工藝復(fù)合于其表面的高導(dǎo)電率涂層；
30、所述的上封裝層和下封裝層采用織物覆膜工藝制成。
1.一種大量程高響應(yīng)的壓敏材料工藝優(yōu)化方法，其特征在于：包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大量程高響應(yīng)的壓敏材料工藝優(yōu)化方法，其特征在于：制備電極層，包括以下內(nèi)容：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種大量程高響應(yīng)的壓敏材料工藝優(yōu)化方法，其特征在于：所述電極層表面通過(guò)紫外激光器進(jìn)行光熱燒蝕，形成物理隔離槽。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大量程高響應(yīng)的壓敏材料工藝優(yōu)化方法，其特征在于：壓敏層制備，包括以下內(nèi)容：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大量程高響應(yīng)的壓敏材料工藝優(yōu)化方法，其特征在于：壓敏層采用微金字塔或多孔泡沫微結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大量程高響應(yīng)的壓敏材料工藝優(yōu)化方法，其特征在于：封裝層制備，包括以下內(nèi)容：
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大量程高響應(yīng)的壓敏材料工藝優(yōu)化方法，其特征在于：所述封裝層采用多層阻隔結(jié)構(gòu)，以聚酯纖維織物為基底，通過(guò)織物覆膜工藝依次層壓厚熱熔膠膜和高分子防水膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大量程高響應(yīng)的壓敏材料工藝優(yōu)化方法，其特征在于：所述異形截面聚合纖維的噴絲板形狀為圓形、星形或多孔中空結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大量程高響應(yīng)的壓敏材料工藝優(yōu)化方法，其特征在于：多層功能織物堆疊結(jié)構(gòu)的組裝采用邊緣超聲波焊接，參數(shù)為：頻率20khz，振幅40μm，壓力0.4mpa，焊接時(shí)間3秒。
10.一種大量程高響應(yīng)的壓敏材料復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征在于：運(yùn)用了如權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的一種大量程高響應(yīng)的壓敏材料工藝優(yōu)化方法，包括自上而下依次層疊設(shè)置的上封裝層、上電極層、壓敏層、下電極層和下封裝層，形成多層功能織物堆疊結(jié)構(gòu)；