复合导电材料、应变传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种复合导电材料、应变传感器及其制备方法。
背景技术
在可穿戴电子设备、电子皮肤、可植入式生物医疗器械等领域，应变传感器的柔性和可拉伸性能十分重要。应变传感器是一种能把感知到的外界拉伸应变转换为电信号(比如电阻、电容)的设备。目前，应变传感方面的相关研究已经十分广泛，比如把刚性的银纳米线、碳纳米管、石墨烯、银纳米片晶等导电材料涂覆在平整的或者预应变的弹性聚合物基底上面，但是这种传感器会出现柔性不好、刚性材料脱落等问题。另外，有科研人员把纳米导电材料与弹性聚合物复合，制备出了纳米复合导电材料以提升传感器的柔性，然而这种复合材料能承受的拉伸应变范围一般都小于0～200％。同时，尽管有少数研究人员把应变范围扩大到夸张的范围，但是相应地，所得传感器的灵敏度(电阻值的变化范围)太低，且制作过程涉及到的原位合成与还原、通道修复等纳米技术过于复杂。因此，寻找一种较为简单的方法来制造拉伸应变范围大、灵敏度高的应变传感器，是亟待解决的难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合导电材料、应变传感器及其制备方法，旨在解决现有应变传感器中存在的拉伸应变范围小、灵敏度差的技术问题。
为了实现上述发明目的，本发明一方面，提供了一种复合导电材料，其包括如下按照重量百分数计的组分：
离子液体或液态硅基聚合物1％-10％
导电填料7.9％-22％
余量为硅橡胶。
本发明另一方面，提供了一种应变传感器，其包括柔性基底层、应变过渡层和导电层，沿所述柔性基底层至所述导电层的方向，所述柔性基底层、所述应变过渡层和所述导电层依次层叠设置；其中，所述导电层包括导电体，形成所述导电体的材料包括本发明提供的复合导电材料。
本发明再一方面，提供了一种应变传感器的制备方法，其包括如下步骤：
分别制备柔性基底层、应变过渡层、导电层，所述导电层包括导电体，形成所述导电体的材料包括本发明所述的复合导电材料；
沿所述柔性基底层至所述导电层的方向，将所述柔性基底层、所述应变过渡层和所述导电层依次叠加组装，得到应变传感器。
本发明提供的复合导电材料包括硅橡胶、导电填料和离子液体或液态硅基聚合物，其中，硅橡胶作为基体材料，可为导电体提供弹性，使导电体具有良好的拉伸应变性能；导电填料可提升导电体的导电性能。通过将离子液体或液态硅基聚合物与硅橡胶和导电填料进行复合，既可以提高复合导电材料的电导率，还可以延长硅橡胶的固化时间，有利于提升复合导电材料的混合效果，为其在制作应变传感器的过程中提供充分的时间以制作层状结构，便于应变传感器的生产。
本发明提供的应变传感器，一方面，通过以硅橡胶、导电填料和离子液体或液态硅基聚合物复合的导电材料作为导电层中的导电体材料，既可以提高复合导电材料的电导率，还可以延长硅橡胶的固化时间，有利于提升复合导电材料的混合效果，为其在制作应变传感器的过程中提供充分的时间以制作层状结构，便于应变传感器的生产。另一方面，通过在柔性基底层和导电层之间设置一应变过渡层，具有耗散应变的效果，使导电层即使在大应变条件下也只承受较小的应变，避免导电层发生失效或与其它层部分失去连接甚至分离的问题。本发明通过对应变传感器的结构和材料做上述的改进，所得应变传感器能够承受超大范围拉伸应变，且具有较高的灵敏度和较好的结构稳定性。
本发明提供的应变传感器的制备方法步骤简单，便于实施，制备得到的应变传感器能够承受超大范围拉伸应变，且具有较高的灵敏度和较好的结构稳定性，具有良好的应用前景和市场价值。
附图说明
图1为本发明实施例中的一种具体实施方式提供的镂空分形形状/镂空分形图案；
图2为本发明实施例中应变传感器的制备方法的制备流程图(横截面)；
图3为本发明实施例制备得到的应变传感器的三维结构示意图；
图4为本发明实施例制备得到的应变传感器的拉伸应变性能检测的仿真计算结果；
其中，图2中的附图标记如下：
10-敞口容器；20-柔性基底层；30-应变过渡层；40-导电层；42-导电体；44-导电纳米材料层；46-离子溅射膜层；52-第一掩模板；54-第二掩模板；56-第三掩模板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和技术效果更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。结合本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行；所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
在本发明的描述中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
在本发明的描述中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a,b,或c中的至少一项(个)”，或，“a,b,和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a,b,c,a-b(即a和b),a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c分别可以是单个，也可以是多个。
需要理解的是，本发明实施例中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量，也可以表示各组分间重量的比例关系，因此，只要是按照本发明实施例相关组分的含量按比例放大或缩小均在本发明公开的范围之内。具体地，本发明实施例中所述的重量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。
另外，除非上下文另外明确地使用，否则词的单数形式的表达应被理解为包含该词的复数形式。术语“包括”或“具有”旨在指定特征、数量、步骤、操作、元件、部分或者其组合的存在，但不用于排除存在或可能添加一个或多个其它特征、数量、步骤、操作、元件、部分或者其组合。
本发明实施例提供了一种复合导电材料，其包括如下按照重量百分数计的组分：
离子液体或液态硅基聚合物1％-10％
导电填料7.9％-22％
余量为硅橡胶。
本发明实施例提供的复合导电材料包括硅橡胶、导电填料和离子液体或液态硅基聚合物，其中，硅橡胶作为基体材料，可为导电体提供弹性，使导电体具有良好的拉伸应变性能；导电填料可提升导电体的导电性能。通过将离子液体或液态硅基聚合物与硅橡胶和导电填料进行复合，既可以提高复合导电材料的电导率，还可以延长硅橡胶的固化时间，有利于提升复合导电材料的混合效果，为其在制作应变传感器的过程中提供充分的时间以制作层状结构，便于应变传感器的生产。
在一些实施例中，硅橡胶选自Ecoflex系列硅橡胶，优选Ecoflex 0030。Ecoflex0030具有良好的拉伸应变能力，以其作为复合导电材料的硅橡胶组分，有利于提升导电体的拉伸应变能力。在一些具体实施例中，以Ecoflex 0030为硅橡胶时，将其A部分和B部分按照2:1的质量比混合作为制备复合导电材料的硅橡胶，这是因为Ecoflex 0030中的A、B部分如按照其它比例混合后，再与离子液体和导电填料混合所得的复合导电材料存在难以固化的问题。
在一些实施例中，离子液体选自吡啶类离子液体、吡咯类离子液体、季铵类离子液体、哌啶类离子液体、咪唑类离子液体中的至少一种，且其粘度在室温下大于等于100cP。通过在硅橡胶和导电填料中加入离子液体，可以提升所得复合导电材料的电导率，并延长硅橡胶的固化时间，为应变传感器的多层结构设置提供充分的时间。在一些具体实施例中，离子液体选自N-甲氧基乙基-N-甲基二乙基铵四氟硼酸盐、N-己基吡啶四氟硼酸盐、N-丁基-N-甲基吡咯烷双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐、N-丁基-N-甲基哌啶双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐、1-丁基-2,3-二甲基咪唑四氟硼酸盐、1-胺丙基-3-甲基咪唑溴盐中的至少一种。
在一些实施例中，液态硅基聚合物为聚二甲基硅氧烷前驱体。
在一些实施例中，导电填料选自金纳米颗粒、银纳米颗粒、银纳米线、碳纳米管、银纳米片中的至少一种，优选多壁碳纳米管。这些导电填料均具有较好的导电性，且颗粒较小，容易分散在复合导电材料中形成良好的导电网络，此时所得复合导电材料为纳米级材料。在一些具体实施例中，选择多壁碳纳米管和银纳米颗粒共同作为导电填料，其中，以复合导电材料的总质量为基准，多壁碳纳米管的添加量为7.9％-12％，银纳米颗粒的添加量是6-10％。
在一些实施例中，复合导电材料的制备方法是将硅橡胶、离子液体(或液态硅基聚合物)和导电填料进行混合处理。在一些具体实施例中，先将硅橡胶与离子液体(或液态硅基聚合物)进行混合处理，得到液态聚合物基体，然后将该液态聚合物基体与导电填料进行混合处理，得到复合导电材料。通过先将硅橡胶与离子液体(或液态硅基聚合物)进行混合，可以使两者在混合过程中发生一些化学反应以减缓内部交联反应的进程，然后再加入导电填料，使导电填料在其中的分散性更好，充分发挥其导电性能。
本发明实施例提供的复合导电材料，优选在硅橡胶和导电填料中加入少量的离子液体，不仅具有良好的导电性能，而且其电阻值能够随着外界的拉伸应变的增加而增长，可实现从102Ω变化到108Ω，且灵敏度高达105。
相应地，本发明实施例提供了一种应变传感器，其包括柔性基底层、应变过渡层和导电层，沿柔性基底层至导电层的方向，柔性基底层、应变过渡层和导电层依次层叠设置；其中，导电层包括导电体，形成导电体的材料本发明实施例提供的复合导电材料。
本发明实施例提供的应变传感器，一方面，通过以硅橡胶、导电填料和离子液体或液态硅基聚合物复合的导电材料作为导电层中的导电体材料，既可以提高复合导电材料的电导率，且在制作应变传感器的过程中可以发生固化形成层状结构，便于应变传感器的生产，还可以延长硅橡胶的固化时间，有利于提升复合导电材料的混合效果，为其在制作应变传感器的过程中提供充分的时间以制作层状结构，便于应变传感器的生产。另一方面，通过在柔性基底层和导电层之间设置一应变过渡层，具有耗散应变的效果，使导电层即使在大应变条件下也只承受较小的应变，避免导电层发生失效或与其它层部分失去连接甚至分离的问题。本发明实施例通过对应变传感器的结构和材料做上述的改进，所得应变传感器能够承受超大范围拉伸应变，且具有较高的灵敏度和较好的结构稳定性。
在一些实施例中，形成应变过渡层的材料包括硅橡胶，优选Ecoflex系列硅橡胶。硅橡胶不仅具有良好的拉伸应变能力，同时与导电层中的硅橡胶组分相近甚至一致，有利于提升应变过渡层和导电层之间的结合力，使所得应变传感器的稳定性得到提高。在一些具体实施例中，将Ecoflex 0030的A部分和B部分按照1:1的质量比混合作为应变过渡层的材料。通过将其A、B两部分按照该质量比混合，可以充分发挥Ecoflex 0030的拉伸应变能力，使所得应变过渡层进一步发挥耗散应变的效果，帮助导电层承受外界的拉伸应变。
在一些实施例中，形成柔性基底层的材料包括硅橡胶，优选Ecoflex系列硅橡胶。在一些具体实施例中，形成柔性基底层的硅橡胶和形成应变过渡层的硅橡胶为同一种材料，有助于提升柔性基底层与应变过渡层之间的结合力，使应变传感器的稳定性进一步提高。
在一些实施例中，将应变过渡层的厚度设置为0.05mm-0.6mm。通过将应变过渡层的厚度设置在该范围内，可以提升应变过渡层的耗散大应变的效果，使所得应变传感器具备超大范围拉伸应变的性能。具体地，典型而非限制性的应变过渡层的厚度为0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm。
在一些实施例中，柔性基底层的厚度为0.2mm-0.6mm。如柔性基底层的厚度过厚，容易导致所得应变传感器的拉伸应变分布更加复杂，断裂应变无法达到800％。同理地，本发明实施例提供的应变传感器的宽度范围优选0.2mm-0.6mm，以使其断裂应变达到800％以上。具体地，典型而非限制性的柔性基底层的厚度为0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm。
进一步地，本发明实施例提供的导电层还包括导电纳米材料层和离子溅射膜层，沿应变过渡层至导电层的方向，导电体、导电纳米材料层和离子溅射膜层依次层叠设置。通过在导电体上增加导电纳米材料层和离子溅射膜层，导电纳米材料层不仅可用于搭桥引线，使应变传感器与引线实现电连接，而且导电纳米材料层中的导电纳米材料还可降低初始电阻，并与导电体中的导电物质和离子溅射膜层中的金属原子共同形成导电通路，提升导电层和应变传感器整体的导电性能和拉伸性能。
进一步地，形成导电纳米材料层的材料选自金属导电纳米材料、碳纳米材料中的至少一种。在一些具体实施例中，选择以银纳米线制作导电纳米材料层。银纳米线具有良好的导电性，还可降低初始电阻，从而拓宽所得应变传感器的电阻变化范围，同时银纳米线对提升导电层的拉伸应变性能也具有一定帮助。
进一步地，将导电层的厚度设置为0.1mm-1mm。导电层的厚度过薄时，所得应变传感器的初始电阻会过大；导电层的厚度过厚时，多余的厚度无法发挥作用，造成成本的浪费。其中，导电体作为导电层的主体功能层，优选将其厚度控制在0.1mm-0.9mm；导电纳米材料层的厚度应较薄，以便于部分嵌入到导电体中，因此优选将其厚度控制在1μm-100μm；离子溅射膜层为纳米级的，优选将其厚度控制在1nm-10nm。具体地，典型而非限制性的导电层厚度为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm。
进一步地，将应变过渡层和/或导电层的形状开设有镂空分形图案。优选地，将应变过渡层的镂空分形图案与导电层的镂空分形图案至少部分重合，以使应变传感器具备良好的稳定性。在一些具体实施例中，应变过渡层与导电层均开设有镂空分形图案，且两者的镂空分形图案完全一致(即应变过渡层与导电层的形状完全一致)。通过将两者的形状设置为完全一致的形状，不仅可以使应变过渡层与导电层之间的结合更加紧密，进一步提升所得应变传感器的稳定性，而且一致的形状还可以使应变过渡层代替导电层承受更多的拉伸应变力，使应变传感器的拉伸应变性能够发生的拉伸应变变形由80％-220％上升到960％，同时导电层不会发生断裂并仍然正常工作。
作为一种具体实施方式，将应变过渡层和导电层的形状设置为如图1所示的镂空分形图案。需要说明的是，图1仅展示出部分适合于本发明实施例的镂空分形图案，并不作为对实际实施时可选择的镂空分形图案的限制。只要具有分形特征的任何图案，均可根据该图案的样式将应变过渡层和导电层制成相应的形状。通过将应变过渡层和导电层的形状设置成这些形状，可使应变过渡层和导电层均具有精细但不绝对规则的结构，这样的结构可以使应变过渡层和导电层在承受外力时，特别是在大应变条件下，仍能具备较好的拉伸应变性能。同时，镂空分形图案是基本构成元素是各种线条，通过将导电层开设直线、曲线、折线等不同形状的各种线条时，导电层的导电性能随着应变的改变会随之发生变化，即灵敏度不同。这些线条组合起来，可使所得应变传感器在实际应用时达到更高的灵敏度。
本发明实施例提供的应变传感器可以通过以下制备方法制备得到。
相应地，本发明实施例还提供了一种应变传感器的制备方法，其包括如下步骤：
S1、分别制备柔性基底层、应变过渡层、导电层；导电层包括导电体，形成导电体的材料包括本发明实施例提供的复合导电材料；
S2、沿柔性基底层至导电层的方向，将柔性基底层、应变过渡层和导电层依次叠加组装，得到应变传感器。
本发明实施例提供的应变传感器的制备方法步骤简单，便于实施，制备得到的应变传感器能够承受超大范围拉伸应变，且具有较高的灵敏度和较好的结构稳定性，具有良好的应用前景和市场价值。
具体地，柔性基底层、应变过渡层、导电层的各层结构及材料、相应的技术效果如前文所述，为了节约篇幅，此处不再赘述。
柔性基底层可直接取一现成的柔性基底，或通过制备得到。在一些实施例中，制备柔性基底层的方法包括：取一敞口容器，将制备柔性基底层的材料(液态)置于该容器中，进行固化处理，得到柔性基底层，然后依次在柔性基底层表面依次叠加应变过渡层、导电层，得到应变传感器。
在一些实施例中，采用掩模板以获得具有镂空分形图案的应变过渡层，从而提升应变传感器的拉伸应变性能。采用掩模板制备应变过渡层的方法包括如下步骤：
S3、提供第一掩模板，第一掩模板上设置有第一镂空分形图案；
S4、取第一掩模板置于柔性基底层的表面，将用于形成应变过渡层的材料填充到第一镂空分形图案中，经固化处理，得到开设有镂空分形图案的应变过渡层。
具体地，S3中，第一掩模板上设置有第一镂空分形图案，可以便于将形成应变过渡层的材料填充到第一镂空分形图案中，形成开设有相应镂空分形图案的应变过渡层。在一些实施例中，第一掩模板上的第一镂空分形图案选择如图1所示的镂空分形图案。需要说明的是，图1仅展示出部分适合于本发明实施例的镂空分形图案，并不作为对实际实施时可选择的镂空分形图案的限制。只要具有分形特征的任何图案，均可根据该图案的样式在第一掩模板上设置相应的镂空分形图案。通过将第一掩模板的形状设置为这些镂空分形图案，可使所得应变过渡层具有精细但不绝对规则的镂空分形形状。
在一些实施例中，将第一掩模板的厚度设置为0.05mm-0.6mm，以便获得厚度为0.05mm-0.6mm的应变过渡层。具体地，典型而非限制性的第一掩模板厚度为0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm、0.09mm、0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm。
S4中，取第一掩模板置于柔性基底层的表面，然后将用于形成应变过渡层的材料填充到第一镂空分形图案中，以得到应变过渡层。在一些实施例中，可利用第一掩模板一次性制作柔性基底层和应变过渡层，包括：取一敞口容器，将用于形成柔性基底层的材料(液态)置于该容器中并与容器的边缘平齐，然后将第一掩模板置于该容器表面，此时形成柔性基底层的材料在毛细作用下进入第一镂空分形图案中，形成一体化的柔性基底层和应变过渡层。采用该方式，所得柔性基底层和应变过渡层的材料完全一致，可使应变传感器的稳定性和拉伸应变性能得到进一步提升。
在一些实施例中，固化处理的温度为15℃-200℃，优选45℃；固化处理的时间为1min-24h，优选80min。这是由于适合形成柔性基底层的材料为液态，因此需要经固化处理才可形成稳定的分层结构。其中，固化处理的温度越低，固化所需的时间也越长。具体地，典型而非限制性的固化处理温度为15℃、20℃、30℃、40℃、45℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃；典型而非限制性的固化处理时间为1min、5min、10min、20min、30min、40min、50min、1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h、10h、11h、12h、13h、14h、15h、16h、17h、18h、19h、20h、21h、22h、23h、24h。
在一些实施例中，采用掩模板以获得具有镂空分形图案的导电层，从而提升应变传感器的拉伸应变性能。采用掩模板制备导电层的方法包括如下步骤：
S5、提供第二掩膜板，第二掩膜板上设置有第二镂空分形图案；
S6、取第二掩模板置于应变过渡层上，将复合导电材料填充到第二镂空分形图案中；
S7、在第二掩模板的表面涂覆导电纳米材料的分散液，经固化处理，移除第二掩模板，得到开设有镂空分形图案的导电体和导电纳米材料层；
S8、在导电纳米材料层表面进行离子溅射镀膜处理，得到离子溅射膜。
具体地，S5中，第二掩模板上设置有第二镂空分形图案，可以便于将复合导电材料填充到第二镂空分形图案中，形成开设有相应镂空分形图案的导电体。在一些实施例中，将第二掩模板的厚度控制在0.1mm-0.9mm，以便获得厚度为0.1mm-0.9mm的导电体。具体地，典型而非限制性的第二掩模板厚度为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm。
在一些实施例中，第二掩模板上的第二镂空分形图案选择如图1所示的镂空分形图案。需要说明的是，图1仅展示出部分适合于本发明实施例的镂空分形图案，并不作为对实际实施时可选择的镂空分形图案的限制。只要具有分形特征的任何图案，均可根据该图案的样式在第二掩模板上设置相应的镂空分形图案。通过将第二掩模板的形状设置为这些镂空分形图案，可使所得导电体具有精细但不绝对规则的镂空分形图案。
进一步地，第一镂空分形图案与第二镂空分形图案至少部分重合。此时，形成的应变过渡层与导电体的镂空分形图案也至少部分重合，使应变传感器具备良好的稳定性。在一些具体实施例中，第一镂空分形图案与第二镂空分形图案完全重合，此时所得应变过渡层与导电层的形状将完全一致，进一步提升所得应变传感器的稳定性，使应变过渡层代替导电层承受更多的拉伸应变力，使应变传感器的拉伸应变性能得到进一步提高。
S6中，通过在第二掩模板的表面涂覆导电纳米材料的分散液，使导电纳米材料的分散液与第二镂空分形图案中的导电体结合。同时，由于适合形成柔性基底层的材料、适合形成应变过渡层的材料以及复合导电材料均为液态，因此需要经固化处理才可形成一体化的、结构稳定的分层结构。在一些实施例中，导电纳米材料在固化后会部分嵌入到导电体中，使所得应变传感器的结构更加紧密，导电性能更好。
S7中，对导电纳米材料层表面进行离子溅射镀膜处理，以形成离子溅射膜层，离子溅射膜层与导电纳米材料层、导电体共同组成应变传感器的导电层。在一些实施例中，由于离子溅射过程中容易将离子轰入柔性基底层和应变过渡层，进而影响其性能，因此在离子溅射镀膜处理时应对柔性基底层和应变过渡层进行保护。在一些具体实施例中，采用第三掩模板对柔性基底层和应变过渡层进行遮挡，以保护柔性基底层和应变过渡层，然后在离子溅射装置中，以1mA-10mA的电流在导电纳米材料层表面进行镀膜，镀膜的时间为5s-30s，优选10s，溅射次数为2-10次，优选4次，靶材包括但不限于金、银、铂。溅射完毕后，移除第三掩模板。其中，第三掩模板上设置有第三镂空分形图案，且该第三镂空分形图案与第二镂空分形图案一致。进一步地，将第三掩模板的厚度设置为0.4mm-1.2mm。通过将第三掩模板的厚度设置在该范围内，可以充分遮挡柔性基底层和应变过渡层，同时避免遮挡导电纳米材料层，以达到良好的离子溅射效果。具体地，典型而非限制性的第三掩模板厚度为0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm。
在一些实施例中，固化处理的温度为15℃-200℃，优选45℃；固化处理的时间为1min-24h，优选80min。通过固化处理，不仅可以将复合导电材料的形态变成稳定的固态分层结构，还可以将导电纳米材料的分散液中的溶剂(多为有机溶剂，如乙醇等)蒸发掉，形成导电纳米材料层，且该导电纳米材料层的形状与导电体的形状完全一致。
作为一种具体实施方式，将应变过渡层和导电层均开设镂空分形图案，可进一步提升所得应变传感器的拉伸应变性能，同时制备方法更加简便，具体方法包括：
(1)提供第一掩模板、第二掩膜板，第一掩模板上设置有第一镂空分形图案，第二掩膜板上设置有第二镂空分形图案；
(2)取第一掩模板置于柔性基底层的表面，将用于形成应变过渡层的材料填充到第一镂空分形图案中；
(3)取第二掩模板置于第一掩模板上，将复合导电材料填充到第二镂空分形图案中；
(4)在第二掩模板的表面涂覆导电纳米材料的分散液，经固化处理，移除第一掩模板和第二掩模板，得到具有镂空分形形状的应变过渡层、导电体和导电纳米材料层；
(5)在导电纳米材料层表面进行离子溅射镀膜处理，得到离子溅射膜层。
该方法通过层叠放置第一掩模板和第二掩模板，经一次固化处理即可同时获得开设有镂空分形图案的应变过渡层、导电体、导电纳米材料层的固化结构。在一些实施例中，第二掩模板上所采用的第二镂空分形图案与第一掩模板上的第一镂空分形图案一致，此时将第二掩模板置于第一掩模板上，应将第二镂空分形图案与第一镂空分形图案对齐，以获得形状一致且整齐层叠的应变过渡层和导电体。
为使本发明上述实施细节和操作能清楚地被本领域技术人员理解，以及本发明实施例复合导电材料、应变传感器及其制备方法的进步性能显著的体现，以下通过多个实施例来举例说明上述技术方案。
实施例1
图2示出了本发明实施例的其中一种应变传感器的制备流程图(横截面)，结合图2，本实施例提供的应变传感器的制备方法步骤如下：
(11)Ecoflex 0030的A、B两部分按照质量比1：1混合均匀，注入到敞口容器10中；
(12)在敞口容器10的敞口上放置具有第一镂空分形图案(“M”形)的第一掩模板52，混合后的Ecoflex 0030(A、B两部分质量比为1：1)在毛细作用下填充在第一掩模板52的第一镂空分形图案中，此时第一掩模板52下方为柔性基底层20，第一掩模板52的第一镂空分形图案中为应变过渡层30，二者都是液态；
(13)Ecoflex 0030的A、B两部分按照质量比2：1混合均匀，混合后的Ecoflex与粘度大于等于100cP的1-胺丙基-3-甲基咪唑溴盐按照质量比10：1混合均匀，得到液态聚合物基体。把液态聚合物基体与银纳米颗粒、碳纳米管按照84：6.5：9.5的质量比混合均匀，得到液态的复合导电材料；在第一掩模板52上叠放第二镂空分形图案的第二掩模板54，且第二镂空分形图案与第一镂空分形图案一致(“M”形)，将第一镂空分形图案和第二镂空分形图案对齐，然后将所得复合导电材料填充到第二镂空分形图案中，形成导电体42，该导电体42的形状与第二镂空分形图案一致；
(14)在光学显微镜的辅助下，把直径为20μm的金丝埋入到复合导电材料的两端，作为测试电极，然后在导电体42表面涂覆银纳米线的乙醇分散液，将容器连同各层整体放入真空干燥箱中，45℃烘干80min，得到固化的柔性基底层20、应变过渡层30、导电体42和银纳米线层(即导电纳米材料层44)，此时银纳米线层中的乙醇溶剂已在烘干过程中去除；
(15)移除第一掩模板52和第二掩模板54；
(16)在原来放置第一掩模板的位置放置具有第三镂空分形图案的第三掩模板56，且第三镂空分形图案与第二镂空分形图案一致(“M”形)，然后将敞口容器10连同各层整体放入离子溅射仪的真空腔中进行离子溅射镀膜，电流不超过5mA，时间为10s，溅射4次后取出，得到离子溅射膜层46；导电体42、导电纳米材料层44与离子溅射膜层46共同组成导电层40；
(17)移除第三掩模板56，得到容置在敞口容器10中的应变传感器；
(18)将敞口容器10与应变传感器分离，得到应变传感器。
本实施例所得应变传感器的三维结构示意图如图3所示。
实施例2
本实施例提供了一种应变传感器的制备方法，步骤如下：
(21)Ecoflex 0030的A、B两部分按照质量比1：1混合均匀，得到柔性基底层的液态材料，将该液态材料注入到敞口容器中；
(22)在敞口容器的敞口上放置具有第一镂空分形图案(“M”形)的第一掩模板，混合后的Ecoflex 0030(A、B两部分质量比为1：1)在毛细作用下填充在第一掩模板的第一镂空分形图案中，此时第一掩模板下方为柔性基底层，第一掩模板的第一镂空分形图案中为应变过渡层，二者都是液态；
(23)Ecoflex 0030的A、B两部分按照质量比2：1混合均匀，混合后的Ecoflex与聚二甲基硅氧烷前驱体按照质量比7：1混合均匀，得到液态聚合物基体。把液态聚合物基体与银纳米颗粒、碳纳米管按照84：6.5：9.5的质量比混合均匀，得到液态的复合导电材料；在第一掩模板上叠放第二镂空分形图案的第二掩模板，且第二镂空分形图案与第一镂空分形图案一致(“M”形)，将第一镂空分形图案和第二镂空分形图案对齐，然后将所得复合导电材料填充到第二镂空分形图案中，形成导电体，该导电体的形状与第二镂空分形图案一致；
(24)在光学显微镜的辅助下，把直径为20μm的金丝埋入到复合导电材料的两端，作为测试电极，然后在导电体表面涂覆银纳米线的乙醇分散液，将容器连同各层整体放入真空干燥箱中，45℃烘干80min，得到固化的柔性基底层、应变过渡层、导电体和银纳米线层(即导电纳米材料层)，此时银纳米线层中的乙醇溶剂已在烘干过程中去除；
(25)移除第一掩模板和第二掩模板；
(26)在原来放置第一掩模板的位置放置具有第三镂空分形图案的第三掩模板，且第三镂空分形图案与第二镂空分形图案一致(“M”形)，然后将容器连同各层整体放入离子溅射仪的真空腔中进行离子溅射镀膜，电流不超过5mA，时间为10s，溅射4次后取出；
(27)移除第三掩模板，得到容置有应变传感器的容器；
(28)将容器与应变传感器分离，得到应变传感器。
实施例3
本实施例提供了一种应变传感器的制备方法，步骤如下：
(31)Ecoflex 0030的A、B两部分按照质量比1：1混合均匀，得到柔性基底层的液态材料，将该液态材料注入到敞口容器中；
(32)在敞口容器的敞口上放置具有第一镂空分形图案(“M”形)的第一掩模板，混合后的Ecoflex 0030(A、B两部分质量比为1：1)在毛细作用下填充在第一掩模板的第一镂空分形图案中，此时第一掩模板下方为柔性基底层，第一掩模板的第一镂空分形图案中为应变过渡层，二者都是液态；
(33)Ecoflex 0030的A、B两部分按照质量比2：1混合均匀，混合后的Ecoflex与N-甲氧基乙基-N-甲基二乙基铵四氟硼酸盐按照质量比7：1混合均匀，得到液态聚合物基体。把液态聚合物基体与银纳米颗粒、碳纳米管按照84：6.5：9.5的质量比混合均匀，得到液态的复合导电材料；在第一掩模板上叠放第二镂空分形图案的第二掩模板，且第二镂空分形图案与第一镂空分形图案一致(“M”形)，将第一镂空分形图案和第二镂空分形图案对齐，然后将所得复合导电材料填充到第二镂空分形图案中，形成导电体，该导电体的形状与第二镂空分形图案一致；
(34)在光学显微镜的辅助下，把直径为20μm的金丝埋入到复合导电材料的两端，作为测试电极，然后在导电体表面涂覆银纳米线的乙醇分散液，将容器连同各层整体放入真空干燥箱中，45℃烘干80min，得到固化的柔性基底层、应变过渡层、导电体和银纳米线层(即导电纳米材料层)，此时银纳米线层中的乙醇溶剂已在烘干过程中去除；
(35)移除第一掩模板和第二掩模板；
(36)在原来放置第一掩模板的位置放置具有第三镂空分形图案的第三掩模板，且第三镂空分形图案与第二镂空分形图案一致(“M”形)，然后将容器连同各层整体放入离子溅射仪的真空腔中进行离子溅射镀膜，电流不超过5mA，时间为10s，溅射4次后取出；
(37)移除第三掩模板，得到容置有应变传感器的容器；
(38)将容器与应变传感器分离，得到应变传感器。
实施例4
本实施例提供了一种应变传感器的制备方法，步骤如下：
(41)Ecoflex 0030的A、B两部分按照质量比1：1混合均匀，得到柔性基底层的液态材料，将该液态材料注入到敞口容器中；
(42)在敞口容器的敞口上放置具有第一镂空分形图案(“M”形)的第一掩模板，混合后的Ecoflex 0030(A、B两部分质量比为1：1)在毛细作用下填充在第一掩模板的第一镂空分形图案中，此时第一掩模板下方为柔性基底层，第一掩模板的第一镂空分形图案中为应变过渡层，二者都是液态；
(43)Ecoflex 0030的A、B两部分按照质量比2：1混合均匀，混合后的Ecoflex与N-己基吡啶四氟硼酸盐按照质量比10：1混合均匀，得到液态聚合物基体。把液态聚合物基体与银纳米颗粒、碳纳米管按照84：6.5：9.5的质量比混合均匀，得到液态的复合导电材料；在第一掩模板上叠放第二镂空分形图案的第二掩模板，且第二镂空分形图案与第一镂空分形图案一致(“M”形)，将第一镂空分形图案和第二镂空分形图案对齐，然后将所得复合导电材料填充到第二镂空分形图案中，形成导电体，该导电体的形状与第二镂空分形图案一致；
(44)在光学显微镜的辅助下，把直径为20μm的金丝埋入到复合导电材料的两端，作为测试电极，然后在导电体表面涂覆银纳米线的乙醇分散液，将容器连同各层整体放入真空干燥箱中，45℃烘干80min，得到固化的柔性基底层、应变过渡层、导电体和银纳米线层(即导电纳米材料层)，此时银纳米线层中的乙醇溶剂已在烘干过程中去除；
(45)移除第一掩模板和第二掩模板；
(46)在原来放置第一掩模板的位置放置具有第三镂空分形图案的第三掩模板，且第三镂空分形图案与第二镂空分形图案一致(“M”形)，然后将容器连同各层整体放入离子溅射仪的真空腔中进行离子溅射镀膜，电流不超过5mA，时间为10s，溅射4次后取出；
(47)移除第三掩模板，得到容置有应变传感器的容器；
(48)将容器与应变传感器分离，得到应变传感器。
实施例5
本实施例提供了一种应变传感器的制备方法，步骤如下：
(51)Ecoflex 0030的A、B两部分按照质量比1：1混合均匀，得到柔性基底层的液态材料，将该液态材料注入到敞口容器中；
(52)在敞口容器的敞口上放置具有第一镂空分形图案(“M”形)的第一掩模板，混合后的Ecoflex 0030(A、B两部分质量比为1：1)在毛细作用下填充在第一掩模板的第一镂空分形图案中，此时第一掩模板下方为柔性基底层，第一掩模板的第一镂空分形图案中为应变过渡层，二者都是液态；
(53)Ecoflex 0030的A、B两部分按照质量比2：1混合均匀，混合后的Ecoflex与N-丁基-N-甲基吡咯烷双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐按照质量比14：1混合均匀，得到液态聚合物基体。把液态聚合物基体与银纳米颗粒、碳纳米管按照84：6.5：9.5的质量比混合均匀，得到液态的复合导电材料；在第一掩模板上叠放第二镂空分形图案的第二掩模板，且第二镂空分形图案与第一镂空分形图案一致(“M”形)，将第一镂空分形图案和第二镂空分形图案对齐，然后将所得复合导电材料填充到第二镂空分形图案中，形成导电体，该导电体的形状与第二镂空分形图案一致；
(54)在光学显微镜的辅助下，把直径为20μm的金丝埋入到复合导电材料的两端，作为测试电极，然后在导电体表面涂覆银纳米线的乙醇分散液，将容器连同各层整体放入真空干燥箱中，45℃烘干80min，得到固化的柔性基底层、应变过渡层、导电体和银纳米线层(即导电纳米材料层)，此时银纳米线层中的乙醇溶剂已在烘干过程中去除；
(55)移除第一掩模板和第二掩模板；
(56)在原来放置第一掩模板的位置放置具有第三镂空分形图案的第三掩模板，且第三镂空分形图案与第二镂空分形图案一致(“M”形)，然后将容器连同各层整体放入离子溅射仪的真空腔中进行离子溅射镀膜，电流不超过5mA，时间为10s，溅射4次后取出；
(57)移除第三掩模板，得到容置有应变传感器的容器；
(58)将容器与应变传感器分离，得到应变传感器。
实施例6
本实施例提供了一种应变传感器的制备方法，步骤如下：
(61)Ecoflex 0030的A、B两部分按照质量比1：1混合均匀，得到柔性基底层的液态材料，将该液态材料注入到敞口容器中；
(62)在敞口容器的敞口上放置具有第一镂空分形图案(“M”形)的第一掩模板，混合后的Ecoflex 0030(A、B两部分质量比为1：1)在毛细作用下填充在第一掩模板的第一镂空分形图案中，此时第一掩模板下方为柔性基底层，第一掩模板的第一镂空分形图案中为应变过渡层，二者都是液态；
(63)Ecoflex 0030的A、B两部分按照质量比2：1混合均匀，混合后的Ecoflex与1-丁基-2,3-二甲基咪唑四氟硼酸盐按照质量比7：1混合均匀，得到液态聚合物基体。把液态聚合物基体与银纳米颗粒、碳纳米管按照84：6.5：9.5的质量比混合均匀，得到液态的复合导电材料；在第一掩模板上叠放第二镂空分形图案的第二掩模板，且第二镂空分形图案与第一镂空分形图案一致(“M”形)，将第一镂空分形图案和第二镂空分形图案对齐，然后将所得复合导电材料填充到第二镂空分形图案中，形成导电体，该导电体的形状与第二镂空分形图案一致；
(64)在光学显微镜的辅助下，把直径为20μm的金丝埋入到复合导电材料的两端，作为测试电极，然后在导电体表面涂覆银纳米线的乙醇分散液，将容器连同各层整体放入真空干燥箱中，45℃烘干80min，得到固化的柔性基底层、应变过渡层、导电体和银纳米线层(即导电纳米材料层)，此时银纳米线层中的乙醇溶剂已在烘干过程中去除；
(65)移除第一掩模板和第二掩模板；
(66)在原来放置第一掩模板的位置放置具有第三镂空分形图案的第三掩模板，且第三镂空分形图案与第二镂空分形图案一致(“M”形)，然后将容器连同各层整体放入离子溅射仪的真空腔中进行离子溅射镀膜，电流不超过5mA，时间为10s，溅射4次后取出；
(67)移除第三掩模板，得到容置有应变传感器的容器；
(68)将容器与应变传感器分离，得到应变传感器。
实验例
采用程控步进电机式丝杠，分别对实施例1-6所得应变传感器施加均匀的拉伸应变，以检测实施例1-6所得应变传感器的性能，检测方法是：丝杠设置一个应变传感器长度9倍的拉伸位移，把应变传感器上的金丝测试电极连接到Keithley仪表的测试测试接口，应变传感器的电阻变化情况会实时被Keithley监测记录下来。
经过检测发现，实施例1-6所得应变传感器的拉伸循环稳定性良好，拉伸循环寿命超过10000次。
图3是对实施例1所得应变传感器在拉伸应变性能检测之前的ANSYS三维结构示意图，其余实施例的结构类似，不再重复提供其结构示意图。通过图3可以看出，在柔性基底层上方的应变过渡层和导电层的形状均为“M”形。
图4是对实施例1所得应变传感器的拉伸应变性能检测的ANSYS静力学结构仿真计算结果示意图，其余实施例的结果类似，不再重复提供。通过图4可以看出，该应变传感器的导电层所承受的应变小于100％(图中导电层显示为黑色，实质该导电层为蓝色，其承受的应变在1.2709％-120.74％之间)，而图4中箭头所指的应变过渡层所承受的应变小于600％，应变过渡层的“M”形状附近的柔性基底层区域所承受的应变高达957％，说明实施例1所得应变传感器的柔性基底层和应变过渡层具有较好的耗散应变效果，导电层不会承受过大的应变，且应变传感器的结构稳定性较好。同时，该应变传感器的初始电阻低至100Ω，最大电阻高达1.2×108Ω，灵敏度超过105。
实施例2所得应变传感器的拉伸应变性能检测结果显示，该应变传感器的初始电阻为2×104Ω，电阻变化率为103-104。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
