一种具有应变传感性能的MXene/石墨烯梯度微褶皱结构的制备方法

本发明属于柔性电子，具体涉及一种具有应变传感性能的mxene/石墨烯梯度微褶皱结构的制备方法，该柔性应变传感器可应用于健康监测、人体交互、电子皮肤中。

背景技术：

1、柔性应变传感器因其巨大的灵活性、延展性、皮肤安装性和优异的传感能力，在医疗健康、人机界面和环境监测领域显示出广阔的发展前景。然而，在柔性应变传感器的几个评价指标中，灵敏度和应变范围难以实现同时提升限制了其作为高性能应变传感器的进一步发展。当施加外部应力时，高灵敏度通常通过破坏导电网络来实现，如：微裂纹的产生，从而导致传感范围的减小。因此，实现柔性应变传感器同时具有高灵敏度与大应变范围仍然是一个巨大的挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的是平衡同一材料中高灵敏度和宽应变范围之间的矛盾，而提供一种具有新型梯度微褶皱结构的mxene/rgo复合材料的柔性应变传感器。本发明结构简单、信号传输稳定、信号收集和处理方便、成本低廉，既能提高灵敏度，又可以增加应变范围。

2、本发明采用的技术方案是：具有新型梯度微褶皱结构的mxene/rgo复合材料的柔性应变传感器，是由mxene/rgo复合材料，通过抽滤、还原、预拉伸、封装得到。

3、进一步的，上述具有新型梯度微褶皱结构的mxene/rgo复合材料的柔性应变传感器，按质量百分比，mxene:rgo＝1:1。

4、具有新型梯度微褶皱结构的mxene/rgo复合材料的柔性应变传感器，包括如下步骤：

5、1)将mxene胶体溶液与氧化石墨烯(go)溶液1:1混合，通过超声分散得到mxene/go混合液，再通过磁力搅拌器充分搅拌均匀，获得mxene/go胶体溶液；

6、2)将mxene/go胶体溶液在抽滤装置下进行真空抽滤，将抽滤瓶置于倾斜平台上，通过真空抽滤得到mxene/go复合薄膜；

7、3)将步骤2)得到的mxene/go复合薄膜置于氢碘酸(hi)中，进行还原，得到mxene/rgo复合薄膜；

8、4)将步骤3)得到的mxene/rgo复合薄膜通过简单的预拉伸法构筑微褶皱结构，得到不同梯度变化的mxene/rgo复合褶皱薄膜；

9、5)将步骤4)得到的mxene/rgo复合梯度微褶皱薄膜表面组装铜电极得到mxene/rgo复合梯度微褶皱应变传感器；

10、6)将步骤5)得到的组装有电极的mxene/rgo复合梯度微褶皱薄膜进行封装处理，经聚二甲基硅氧烷(pdms)封装后，得到具有新型梯度微褶皱结构的mxene/rgo复合材料的柔性应变传感器。

11、进一步限定，步骤1)所述mxene/rgo胶体溶液具体制备步骤如下：

12、步骤1.1：go溶液是通过改进的hummers法制备的。将20～25ml 98％的浓硫酸(h2so4)加入到烧杯中冷却至-1～1℃，加入0.5～1.5g天然石墨，搅拌40～60min，分次加入4～6g高锰酸钾(kmno4),搅拌2～4h；搅拌结束后换掉冰浴，置于恒温水浴中进行第一次加热搅拌，冒泡放热搅拌40～50min。再转至高温恒温水浴锅中进行第二次加热搅拌，极缓慢的分次加入70～90ml蒸馏水，搅拌10～20min后，加入50～70ml蒸馏水稀释。再加入350～370g5％双氧水(h2o2)，出现金黄色，马上离心并倒掉离心液，洗涤至ph值在5～6左右。

13、进一步限定，步骤1.1中kmno4在25～30min内分5～6次加入。

14、进一步限定，步骤1.1中第一次加热搅拌的搅拌速率为800～1000r/min，温度控制在35～45℃。

15、进一步限定，步骤1.1中第二次加热搅拌的搅拌速率为400～500r/min，温度控制在70～90℃。

16、进一步限定，步骤1.1中第二次加热搅拌中加入蒸馏水，先分3次加入5～10ml，再分三次加入剩余的55～60ml蒸馏水。

17、步骤1.2：mxene溶液是通过刻蚀法制备的。将3～4g氟化锂(lif)与30～50ml9mol/l盐酸(hcl)加入到反应釜中，置于恒温水浴中进行第一次加热搅拌，搅拌结束后，分次加入1.5～2.5g碳化钛铝(ti3alc2)，全部加入后盖上盖子，置于恒温水浴中进行第二次加热搅拌。搅拌结束后，进行离心并倒掉离心液。先用2mol/l hcl将未反应完全的lif清洗干净，再用蒸馏水洗涤至中性。将产物倒入洗气瓶中，并放入超声仪中超声0.5～1.5h，同时对其进行通气鼓泡处理。结束后进行离心，上层清液即为mxene溶液。

18、进一步限定，步骤1.2中第一次加热搅拌的搅拌速率为500～800r/min，温度控制在35～45℃，搅拌时间为10～20min。

19、进一步限定，步骤1.2中ti3alc2在25～35min内分8～10次加入。

20、进一步限定，步骤1.2中第二次加热搅拌的搅拌速率为500～800r/min，温度控制在35～45℃，搅拌时间为45～50h。

21、进一步限定，步骤1.2中通气鼓泡处理的通气气流速率为8～12m/s，通气时间为0.5～1.5h。

22、步骤1.3：通过改进的hummers法得到的go溶液，将其稀释至0.1mg/ml，并与浓度为0.1mg/ml的mxene胶体溶液混合，搅拌10～15min后，再通过超声处理15～25min，通过磁力搅拌器搅拌4～6h，充分搅拌均匀，获得mxene/go胶体溶液。

23、进一步限定，步骤2)所述真空抽滤过程中，mxene/go胶体溶液的浓度为0.1mg/ml，体积为5～7ml。

24、进一步限定，步骤2)所述真空抽滤过程中，抽滤瓶所置倾斜平台的倾斜角度为10°～30°。

25、进一步限定，步骤3)所述hi还原过程中，还原温度为90℃～120℃，时间为1.5～3h。

26、进一步限定，步骤4)所述预拉伸法构筑微褶皱结构的制作过程包括如下步骤：将具有超拉伸性能的丙烯酸膜vhb4910作为基底，mxene/rgo复合薄膜通过干法转移至预拉伸的基底膜上，随着基底膜一同回缩时，薄膜会形成褶皱结构，厚度梯度的薄膜由此形成梯度褶皱结构。

27、进一步限定，步骤5)所述组装具体为：将铜电极用导电银胶组装到mxene/rgo梯度微褶皱薄膜两边上。

28、进一步限定，步骤6)所述封装处理具体为：将聚二甲基硅氧烷(pdms)用滴管滴在组装有电极的mxene/rgo梯度微褶皱薄膜上，得到具有新型梯度微褶皱结构的mxene/rgo复合材料的柔性应变传感器。

29、本发明提供的具有新型梯度微褶皱结构的mxene/rgo复合材料的柔性应变传感器在在健康监测、人体交互、电子皮肤中应用。

30、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

31、1、本发明制备的柔性应变传感器是通过拉伸过程中，堆叠的mxene纳米片与rgo纳米片之间会发生相对滑移和裂纹，这使得mxene/rgo复合薄膜具有较高的结构灵敏度。同时，褶皱结构有助于大的应变范围。

32、2、本发明制备的应变传感器利用渐变屈曲程度的褶皱结构增加传感器的应变范围，通过不同应变条件下褶皱形变和产生的微裂纹提高灵敏度，在拉伸过程中梯度结构的非同步变化提高灵敏度和增加应变范围。

33、3、本发明是通过简单的预拉伸法进一步构筑新型梯度微褶皱结构，整个制备过程无需复杂的实验仪器和繁琐的实验步骤。

34、4、本发明制备过程简单，信号传输稳定，价格廉价且来源广泛，绿色环保安全。

35、5、本发明通过亲核取代和脱水反应实现mxene改性rgo，可解决灵敏度在裂纹出现前较低和裂纹出现时激增的问题。通过抽滤法制备厚度渐变的薄膜，结合预拉伸法得到梯度微褶皱结构，在微观上具有渐变屈曲程度的褶皱结构，该结构可增加传感器的应变范围，可通过不同应变条件下褶皱形变和产生的微裂纹提高灵敏度，在拉伸过程中梯度结构的非同步变化提高灵敏度和增加应变范围。柔性应变传感器已广泛应用于搭载式电子设备、人体工程学研究、机器人、医疗设备和可穿戴设备等领域。其中，可穿戴设备用于监测和记录用户的健康和运动状态，以及智能家居领域，用于控制灯光、温度和安全等。