一种碳/石墨烯柔性应变传感器及其制备方法与流程

本发明属于传感器领域，涉及一种碳/石墨烯柔性应变传感器及其制备方法。

背景技术：

碳纳米材料作为纳米材料的一个重要分支，由于具有高比模量、高比强度、高结晶取向度和较好的导电导热等诸多优异性能，被广泛应用于航天航空、交通、医疗、机械、纺织和体育用品等领域。同时，为了满足当前人们对于智能传感器的需求，碳纳米材料在传感器中的应用也在快速推进，以碳纳米纤维为主要材料的柔性复合材料传感器越来越受到人们的关注。

专利cn102353324a通过在柔性聚合物衬底上设置由zno和纳米纤维构成的呈网格状结构的功能层，然后在功能层两边设置钛和银电极，进而制备了一种基于氧化锌纳米线/聚苯乙烯纳米纤维杂化结构的柔性半透明应变传感器；专利cn103225204a通过在柔性织物的表面设置有金属材料的阻挡层，阻挡层和导电电极层之间设置有印刷石墨、柔性环氧树脂或全透明硅胶的填隙层，进而制备了一种可穿戴的柔性皮肤传感器。但众多研究者将石墨烯或碳纤维与聚合物复合制备具有高性能的应变传感器的制备工艺相对复杂，且传感器的制备过程不稳定，制备得到的传感器往往高稳定性与高敏感性不能够同时获得。例如wang等人(wang,z.f,huangy.,sunj.f,etal.polyurethane/cotton/carbonnanotubescore-spunyarnashighreliabilitystretchablestrainsensorforhumanmotiondetection[j].acsappliedmaterials&interfaces,2016,8(37):24837-24843.)将碳纳米管涂层到棉/聚氨酯纱线上设计传感器，其拉伸应变达到300％，但是其敏感系数仅仅为0.65；zhang等人(zhangr,dengh.,valencar,etal.carbonnanotubepolymercoatingsfortextileyarnswithgoodstrainsensingcapability[j].sensorsandactuatorsa:physical,2012,179:83-91.)利用碳纳米管/聚氨酯混合溶液涂层到聚氨酯纱线上设计传感器，其能够承受30％的应变，但是其敏感系数小于10，并且其稳定性低，如图1所示；li等人(lix.t.,huat,xub.electromechanicalpropertiesofayarnstrainsensorwithgraphene-sheath/polyurethane-core[j].carbon,2017,118:686-698.)利用石墨烯涂层到表面含有聚乙烯醇的聚氨酯纱线表面，其应变可达到50％，但是其敏感系数最大为96.04；li等人(liy.b.,shangy.y.,hex.d.,etal.overtwisted,resolvablecarbonnanotubeyarnentanglementasstrainsensorsandrotationalactuators[j].acsnano,2013,7(9):8128-8135.)直接利用碳纳米管纱设计传感器，其敏感系数小于100。

因此，研究一种尺寸灵活、便于携带且能够同时具有高稳定性和高敏感性的碳/石墨烯柔性应变传感器具有十分重要的意义。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明通过湿法-多针静电纺丝法连续制备了聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纱，对其进行预氧化和碳化后制备得到碳/石墨烯复合纳米纤维纱，然后将其与弹性薄膜、导线和导电胶进行复合，从而制备了一种尺寸灵活、便于携带且能够同时具有高稳定性和高敏感性的碳/石墨烯柔性应变传感器。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种碳/石墨烯柔性应变传感器，包括由不导电的热塑性聚合物制得的弹性薄膜以及由其进行包裹的碳/石墨烯复合纳米纤维纱和电极，所述电极包括导电胶及用其连接碳/石墨烯复合纳米纤维纱两端的两根导线，所述导线延伸到薄膜外；

所述碳/石墨烯复合纳米纤维纱由聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维纱经预氧化和碳化处理制得，其脆性较大，断裂强度达到10mpa以上，杨氏模量达到5gpa以上，导电率大于2s/cm；

在拉伸伸长率为a的条件下，碳/石墨烯柔性应变传感器的敏感系数((δr/r0)/(δl/l0)，其中r0为传感器原始电阻，l0为传感器原始长度，δr、δl分别为电阻及应变变化量)为400～2500；在伸长率从0到a之间进行循环拉伸、总测试时间为2000s且循环次数为28的条件下，敏感系数的标准偏差为0.5％～4％，其中a＝1.5％～2.3％。

本发明选用了具有脆性大、导电性能高特点的碳/石墨烯复合纳米纤维纱替代了现有技术中的导电纤维纱，同时将其用弹性薄膜进行包裹，制得了同时具有稳定性好和敏感系数高特点的应变传感器，在拉伸或者弯曲过程中，碳/石墨烯复合纳米纤维纱本身在受外界应力作用下极易形成裂纹，这将导致纱线的电阻显著增加，这使得传感器具有优异的应变敏感性，同时由不导电的热塑性聚合物制得的弹性薄膜能够使传感器在去除应力后能够快速恢复到初始状态，使得传感器具有高的稳定性；其中由于碳/石墨烯复合纳米纤维纱仍然保留纳米纤维直径小、比表面积大的优点，在恢复到初始状态的过程中能够使拉伸过程中形成的裂纹间隙更小，同时纳米纤维也容易与聚合物之间形成粘合，这也有助于提高传感器的稳定性。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种碳/石墨烯柔性应变传感器，所述碳/石墨烯柔性应变传感器的柔韧性好，自由扭转角度高达360°，沿碳/石墨烯复合纳米纤维纱轴向拉伸后的伸长率<3％。

如上所述的一种碳/石墨烯柔性应变传感器，所述碳/石墨烯柔性应变传感器的长度为10～100mm，宽度为5～20mm，厚度为0.1～2mm，本发明保护的碳/石墨烯柔性应变传感器的尺寸不限于此，此处仅列出常用的尺寸范围，还可以根据实际应用的需求进一步增大或减小传感器的尺寸；所述碳/石墨烯柔性应变传感器为三层结构，上表层和下表层为弹性薄膜，中间层为碳/石墨烯复合纳米纤维纱和电极。

如上所述的一种碳/石墨烯柔性应变传感器，所述碳/石墨烯复合纳米纤维纱平行且等间距排列在弹性薄膜中，每10mm宽的传感器内的纱线根数为1～10，所述导线垂直于碳/石墨烯复合纳米纤维纱，并通过导电胶将全部纱线与导线相连接。

如上所述的一种碳/石墨烯柔性应变传感器，两根导线与复合纱线的连接处之间的距离为10～100mm，该距离还可根据使用的需求进行调整。

如上所述的一种碳/石墨烯柔性应变传感器，所述弹性薄膜的透光率≥70％，弹性薄膜具有较高的透明度有利于观察碳/石墨烯复合纳米纤维纱和导线在其中的排列情况，所述碳/石墨烯复合纳米纤维纱的直径为50～500um，所述导线的直径或横截面外接圆的直径为0.1～1mm。

如上所述的一种碳/石墨烯柔性应变传感器，所述弹性薄膜的材料为聚氨酯、弹性橡胶、聚丙烯、尼龙、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯或聚二甲基硅氧烷，所述导电胶为导电银胶或导电硅胶，所述导线为铜丝、银丝或铁丝，本发明中的材料不限于此，这里仅列出常用的一些材料。

本发明还提供了与上述碳/石墨烯柔性应变传感器相对应的一种制备方法，其具体制备步骤如下：

(1)将聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维纱进行预氧化和碳化处理得到碳/石墨烯复合纳米纤维纱；

(2)在透明基板的一面设置标记线，另一面均匀涂覆不导电的热塑性聚合物溶液，干燥后得到基体薄膜，所述标记线用于确定导线和碳/石墨烯复合纳米纤维纱在基体薄膜中的位置以及碳/石墨烯柔性应变传感器的最终尺寸，因此本发明传感器的尺寸可以根据不同的需求设置不同的尺寸标记线，本发明的传感器尺寸灵活，便于携带，应用范围广泛；

(3)将碳/石墨烯复合纳米纤维纱伸直后平铺在基体薄膜上，两端用不导电的热塑性聚合物溶液进行固定，碳/石墨烯复合纳米纤维纱的正投影位于相邻两根平行的标记线之间，然后用导电胶将碳/石墨烯复合纳米纤维纱的两端与导线相连；

(4)待导电胶完全干燥后将不导电的热塑性聚合物溶液均匀涂覆在基体薄膜的表面并进行干燥，去除内部应力后沿标记线进行剪裁即得到碳/石墨烯柔性应变传感器。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种碳/石墨烯柔性应变传感器的制备方法，步骤(1)中，所述聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维纱中石墨烯含量不高于10wt％，纱线直径为50～1000um，捻度不大于2000捻/m；所述预氧化在空气中进行，升温速率为1～2℃/min，最终温度为260～280℃，预氧化时间为1～3h；所述碳化处理在惰性气体环境中进行，碳化升温速率为2～10℃/min，最终温度为800℃以上，时间为1～3h；

步骤(2)中，所述透明基板为玻璃基板，所述设置标记线是指在透明基板上贴网格纸，并在网格上进行标记，所述干燥是指热风干燥；

步骤(4)中，所述进行干燥是指进行热风干燥，所述去除内部应力采用的是室温静置的方法。

如上所述的一种碳/石墨烯柔性应变传感器的制备方法，所有的热塑性聚合物溶液都相同，浓度为15～30wt％，步骤(2)和步骤(4)中热塑性聚合物溶液的涂覆量相同，本发明同样适用于上下涂覆量不同的情况。

有益效果：

(1)本发明的一种碳/石墨烯柔性应变传感器,尺寸可控，便于携带。

(2)本发明的一种碳/石墨烯柔性应变传感器，可以敏锐地检测到由拉伸、弯曲、声波和肌肉松紧等产生的微弱应力导致的微弱应变，能够同时具有高稳定性、快速响应和高灵敏性等优点。

(3)本发明的一种碳/石墨烯柔性应变传感器的制备方法，制备工艺合理，制备过程中传感器性能稳定，且制备的传感器的尺寸可以根据需求任意改变，应用范围广泛，有极好的工业推广价值。

附图说明

图1为传感器拉伸时电阻变化率与时间的关系的示意图；

图2为传感器制备流程示意图；

图3为传感器拉伸强力与伸长率关系示意图；

图4为拉伸时传感器的电阻变化率与时间的关系的示意图；

图5为传感器弯曲强度与应变的关系示意图；

图6为弯曲时传感器的电阻变化率与时间的关系的示意图；

图7为在不同微重力作用下传感器的电阻变化率的变化示意图；

图8为不同频率的声波振动下传感器电阻变化率随时间变化的示意图；

图9为握持成拳时传感器电阻变化率随时间变化的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

一种碳/石墨烯柔性应变传感器的制备方法如图2所示，步骤如下：

(1)先将石墨烯含量为1wt％的聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维纱在空气中以2℃/min的速率升温至270℃进行预氧化，预氧化时间为1.5h，然后在惰性气体环境中以5℃/min的速率升温至1100℃进行碳化处理，碳化3h后得到碳/石墨烯复合纳米纤维纱，其中聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维纱的纱线直径为200um，捻度为1500捻/m，碳/石墨烯复合纳米纤维纱直径为100um，碳/石墨烯复合纳米纤维纱脆性大，其断裂强度为50mpa，杨氏模量为15gpa，导电率为81s/cm；

(2)在玻璃基板的一面上贴网格纸，并在网格上进行标记，在另一面均匀涂覆浓度为25wt％的聚氨酯溶液，热风干燥后得到聚氨酯薄膜，其中聚氨酯薄膜的透光率为90％；

(3)将碳/石墨烯复合纳米纤维纱伸直后平铺在聚氨酯薄膜上，两端用浓度为25wt％的聚氨酯溶液进行固定，碳/石墨烯复合纳米纤维纱的正投影位于相邻两根平行的标记线之间，然后用导电银胶将碳/石墨烯复合纳米纤维纱的两端与铜丝相连，其中铜丝垂直于碳/石墨烯复合纳米纤维纱且铜丝延伸到聚氨酯薄膜外，铜丝的直径为0.1mm；

(4)待导电银胶完全干燥后将浓度为25wt％的聚氨酯溶液均匀涂覆在聚氨酯薄膜的表面并进行热风干燥，在室温下静置去除内部应力后沿标记线进行剪裁制得长度为70mm，宽度为12mm，厚度为0.1mm的碳/石墨烯柔性应变传感器，其中碳/石墨烯柔性应变传感器为三层结构，上表层和下表层为聚氨酯薄膜，上下表层厚度相同，中间层为碳/石墨烯复合纳米纤维纱和电极，两电极之间的距离为30mm，碳/石墨烯复合纳米纤维纱平行且等间距排列在聚氨酯薄膜中，每10mm宽的传感器内的纱线根数为5。

对于制得的传感器进行性能检测，检测得到其拉伸强力与伸长率关系及传感器的电阻变化率与时间的关系的示意图如图3和图4所示，传感器的应变相对于应力变化稍有回复滞后，但在多次弯曲循环中的应力应变回复性较好，每次重复拉伸测试实验时均能回复至应变为0的起始位置；传感器的传感性能较好，在伸长率为2％的条件下，传感器的敏感系数达到1000，在伸长率从0到2％之间进行循环拉伸、总测试时间为2000s且循环次数为28的条件下，敏感系数的标准偏差为3.5％。

传感器弯曲强度与应变的关系及传感器的电阻变化率与时间的关系的示意图如图5、图6所示，测试时夹持距离是10mm，夹持传感器的长度为30mm，此时传感器处于自然弯曲状态，测试其在完全伸直过程中的传感性能，从结果可以看出，传感器具有优异的重复性。

传感器在不同微重力作用下传感器的电阻变化率的变化示意图如图7所示，在传感器的第二根和第三根碳/石墨烯复合纳米纤维纱的中间依次放上直径为1.5mm(13.4mg)的小钢珠，小钢珠的摆放位置从正中起依次向两端移动相同距离，最终呈对称分布，随着钢珠个数的增加，得到传感器传感性能。结果发现每增加一个钢珠，传感器的电阻变化率都减小，且下降幅度较为均匀，这说明传感器对微小应变具有稳定且敏锐的传感性能。

传感器在不同频率的声波振动下传感器电阻变化率随时间变化的示意图如图8，将不同传感器的两端固定在音箱扬声器上，但不与音箱贴紧，测量声音间隔分别为1s、0.7s、0.4s时声波对传感器性能的影响，研究发现传感器对声音的频率具有良好的敏感性和稳定性。

传感器在握持成拳时传感器电阻变化率随时间变化的示意图如9所示，将传感器固定在人的小臂上方，记录握持成拳时手臂肌肉对传感器性能的影响。从图中我们能够发现，传感器能够捕捉到人体运动时肌肉的微小变形，具有较好的稳定性，并能够精确的感知不同握持频率。

最终制得的碳/石墨烯柔性应变传感器的柔韧性好，自由扭转角度高达360°，沿碳/石墨烯复合纳米纤维纱轴向的伸长率为2.4％。

对比例1

(1)将普通聚丙烯腈短纤纱(纱线直径200um，捻度1500捻)在空气中以2℃/min的速率升温至270℃进行预氧化，预氧化时间为1.5h，然后在惰性气体环境中以5℃/min的速率升温至1100℃进行碳化处理，碳化3h后得到碳纤维纱，碳化后直径为140um，其断裂强度为80mpa，杨氏模量为13gpa，导电率为52s/cm；

(2)传感器的制备过程及参数与实施例1相同。

最终制得的柔性应变传感器在伸长率为2％的条件下的敏感系数为176，在伸长率从0到2％之间进行循环拉伸、总测试时间为2000s且循环次数为28的条件下，敏感系数的标准偏差为5.6％。将实施例1与对比例1对比可以看出，采用本发明的碳/石墨烯复合纳米纤维纱制得的应变传感器的敏感系数和稳定性相对于其他导电纤维纱发生了显著的提高。

实施例2

一种碳/石墨烯柔性应变传感器的制备方法，步骤如下：

(1)先将石墨烯含量为10wt％的聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维纱在空气中以1℃/min的速率升温至280℃进行预氧化，预氧化时间为1h，然后在惰性气体环境中以10℃/min的速率升温至800℃进行碳化处理，碳化1h后得到碳/石墨烯复合纳米纤维纱，其中聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维纱的纱线直径为420um，捻度为2000捻/m，碳/石墨烯复合纳米纤维纱直径为280um，碳/石墨烯复合纳米纤维纱脆性大，断裂强度为10mpa，杨氏模量为5gpa，导电率为2s/cm；

(2)在玻璃基板的一面上贴网格纸，并在网格上进行标记，在另一面均匀涂覆浓度为30wt％的弹性橡胶溶液，热风干燥后得到弹性橡胶薄膜，其中弹性橡胶薄膜的透光率为95％；

(3)将碳/石墨烯复合纳米纤维纱伸直后平铺在弹性橡胶薄膜上，两端用浓度为30wt％的弹性橡胶溶液进行固定，碳/石墨烯复合纳米纤维纱的正投影位于相邻两根平行的标记线之间，然后用导电银胶将碳/石墨烯复合纳米纤维纱的两端与银丝相连，其中银丝垂直于碳/石墨烯复合纳米纤维纱且银丝延伸到弹性橡胶薄膜外，银丝的横截面外接圆的直径为0.2mm；

(4)待导电银胶完全干燥后将浓度为30wt％的弹性橡胶溶液均匀涂覆在弹性橡胶薄膜的表面并进行热风干燥，在室温下静置去除内部应力后沿标记线进行剪裁制得长度为100mm，宽度为20mm，厚度为0.5mm的碳/石墨烯柔性应变传感器，其中碳/石墨烯柔性应变传感器为三层结构，上表层和下表层为弹性橡胶薄膜，上下表层厚度相同，中间层为碳/石墨烯复合纳米纤维纱和电极，两电极之间的距离为100mm，碳/石墨烯复合纳米纤维纱平行且等间距排列在弹性橡胶薄膜中，每10mm宽的传感器内的纱线根数为10。

最终制得的碳/石墨烯柔性应变传感器在伸长率为1.7％的条件下的敏感系数为800，在伸长率从0到1.7％之间进行循环拉伸、总测试时间为2000s且循环次数为28的条件下，敏感系数的标准偏差为1.7％。同时碳/石墨烯柔性应变传感器的柔韧性好，自由扭转角度高达360°，沿碳/石墨烯复合纳米纤维纱轴向的伸长率为2.9％。

实施例3

一种碳/石墨烯柔性应变传感器的制备方法，步骤如下：

(1)先将石墨烯含量为5wt％的聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维纱在空气中以1.5℃/min的速率升温至270℃进行预氧化，预氧化时间为1h，然后在惰性气体环境中以6℃/min的速率升温至1300℃进行碳化处理，碳化1.5h后得到碳/石墨烯复合纳米纤维纱，其中聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维纱的纱线直径为525um，捻度为1000捻/m，碳/石墨烯复合纳米纤维纱直径为225um，碳/石墨烯复合纳米纤维纱脆性大，断裂强度为15mpa，杨氏模量为18gpa，导电率为19s/cm；

(2)在玻璃基板的一面上贴网格纸，并在网格上进行标记，在另一面均匀涂覆浓度为22.5wt％的聚丙烯溶液，热风干燥后得到聚丙烯薄膜，其中聚丙烯薄膜的透光率为72.5％；

(3)将碳/石墨烯复合纳米纤维纱伸直后平铺在聚丙烯薄膜上，两端用浓度为22.5wt％的聚丙烯溶液进行固定，碳/石墨烯复合纳米纤维纱的正投影位于相邻两根平行的标记线之间，然后用导电银胶将碳/石墨烯复合纳米纤维纱的两端与铁丝相连，其中铁丝垂直于碳/石墨烯复合纳米纤维纱且铁丝延伸到聚丙烯薄膜外，铁丝的直径为0.5mm；

(4)待导电银胶完全干燥后将浓度为22.5wt％的聚丙烯溶液均匀涂覆在聚丙烯薄膜的表面并进行热风干燥，在室温下静置去除内部应力后沿标记线进行剪裁制得长度为55mm，宽度为7.5mm，厚度为0.7mm的碳/石墨烯柔性应变传感器，其中碳/石墨烯柔性应变传感器为三层结构，上表层和下表层为聚丙烯薄膜，上下表层厚度不相同，中间层为碳/石墨烯复合纳米纤维纱和电极，两电极之间的距离为50mm，碳/石墨烯复合纳米纤维纱平行且等间距排列在聚丙烯薄膜中，每10mm宽的传感器内的纱线根数为8。

最终制得的碳/石墨烯柔性应变传感器在伸长率为1.5％的条件下的敏感系数为400。在伸长率从0到1.5％之间进行循环拉伸、总测试时间为2000s且循环次数为28的条件下，敏感系数的标准偏差为0.5％。同时碳/石墨烯柔性应变传感器的柔韧性好，自由扭转角度高达360°，沿碳/石墨烯复合纳米纤维纱轴向的伸长率为2.8％。

实施例4

一种碳/石墨烯柔性应变传感器的制备方法，步骤如下：

(1)先将石墨烯含量为2wt％的聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维纱在空气中以1℃/min的速率升温至260℃进行预氧化，预氧化时间为1.5h，然后在惰性气体环境中以2℃/min的速率升温至1100℃进行碳化处理，碳化1.5h后得到碳/石墨烯复合纳米纤维纱，其中聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维纱的纱线直径为900um，捻度为500捻/m，碳/石墨烯复合纳米纤维纱直径为480um，碳/石墨烯复合纳米纤维纱脆性大，断裂强度为21mpa，杨氏模量为15gpa，导电率为30s/cm；

(2)在玻璃基板的一面上贴网格纸，并在网格上进行标记，在另一面均匀涂覆浓度为15wt％的尼龙溶液，热风干燥后得到尼龙薄膜，其中尼龙薄膜的透光率为70％；

(3)将碳/石墨烯复合纳米纤维纱伸直后平铺在尼龙薄膜上，两端用浓度为15wt％的尼龙溶液进行固定，碳/石墨烯复合纳米纤维纱的正投影位于相邻两根平行的标记线之间，然后用导电银胶将碳/石墨烯复合纳米纤维纱的两端与银丝相连，其中银丝垂直于碳/石墨烯复合纳米纤维纱且银丝延伸到尼龙薄膜外，银丝的直径为0.3mm；

(4)待导电银胶完全干燥后将浓度为18wt％的尼龙溶液均匀涂覆在尼龙薄膜的表面并进行热风干燥，在室温下静置去除内部应力后沿标记线进行剪裁制得长度为10mm，宽度为10mm，厚度为1mm的碳/石墨烯柔性应变传感器，其中碳/石墨烯柔性应变传感器为三层结构，上表层和下表层为尼龙薄膜，上下表层厚度不相同，中间层为碳/石墨烯复合纳米纤维纱和电极，两电极之间的距离为10mm，碳/石墨烯复合纳米纤维纱平行且等间距排列在尼龙薄膜中，每10mm宽的传感器内的纱线根数为1。

最终制得的碳/石墨烯柔性应变传感器在伸长率为1.9％的条件下的敏感系数为1500。在伸长率从0到1.9％之间进行循环拉伸、总测试时间为2000s且循环次数为28的条件下，敏感系数的标准偏差为4％。同时碳/石墨烯柔性应变传感器的柔韧性好，自由扭转角度高达360°，沿碳/石墨烯复合纳米纤维纱轴向伸长率为2.2％。

实施例5

一种碳/石墨烯柔性应变传感器的制备方法，步骤如下：

(1)先将石墨烯含量为1.5wt％的聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维纱在空气中以1℃/min的速率升温至265℃进行预氧化，预氧化时间为2h，然后在惰性气体环境中以3℃/min的速率升温至1000℃进行碳化处理，碳化2h后得到碳/石墨烯复合纳米纤维纱，其中聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维纱的纱线直径为50um，捻度为900捻/m，碳/石墨烯复合纳米纤维纱直径为50um，碳/石墨烯复合纳米纤维纱脆性大，断裂强度为28mpa，杨氏模量为12gpa，导电率为50s/cm；

(2)在玻璃基板的一面上贴网格纸，并在网格上进行标记，在另一面均匀涂覆浓度为20wt％的聚甲基丙烯酸甲酯溶液，热风干燥后得到聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，其中聚甲基丙烯酸甲酯薄膜的透光率为85％；

(3)将碳/石墨烯复合纳米纤维纱伸直后平铺在聚甲基丙烯酸甲酯薄膜上，两端用浓度为20wt％的聚甲基丙烯酸甲酯溶液进行固定，碳/石墨烯复合纳米纤维纱的正投影位于相邻两根平行的标记线之间，然后用导电硅胶将碳/石墨烯复合纳米纤维纱的两端与铜丝相连，其中铜丝垂直于碳/石墨烯复合纳米纤维纱且铜丝延伸到聚甲基丙烯酸甲酯薄膜外，铜丝的横截面外接圆的直径为1mm；

(4)待导电硅胶完全干燥后将浓度为20wt％的聚甲基丙烯酸甲酯溶液均匀涂覆在聚甲基丙烯酸甲酯薄膜的表面并进行热风干燥，在室温下静置去除内部应力后沿标记线进行剪裁制得长度为35mm，宽度为15mm，厚度为1.3mm的碳/石墨烯柔性应变传感器，其中碳/石墨烯柔性应变传感器为三层结构，上表层和下表层为聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，上下表层厚度相同，中间层为碳/石墨烯复合纳米纤维纱和电极，两电极之间的距离为28mm，碳/石墨烯复合纳米纤维纱平行且等间距排列在聚甲基丙烯酸甲酯薄膜中，每10mm宽的传感器内的纱线根数为6。

最终制得的碳/石墨烯柔性应变传感器在伸长率为2.2％的条件下的敏感系数为2200。在伸长率从0到2.2％之间进行循环拉伸、总测试时间为2000s且循环次数为28的条件下，敏感系数的标准偏差为1.8％，同时碳/石墨烯柔性应变传感器的柔韧性好，自由扭转角度高达360°，沿碳/石墨烯复合纳米纤维纱轴向伸长率为2.5％。

实施例6

一种碳/石墨烯柔性应变传感器的制备方法，步骤如下：

(1)先将石墨烯含量为0.5wt％的聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维纱在空气中以1℃/min的速率升温至272℃进行预氧化，预氧化时间为1h，然后在惰性气体环境中以6℃/min的速率升温至1500℃进行碳化处理，碳化3h后得到碳/石墨烯复合纳米纤维纱，其中聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维纱的纱线直径为600um，捻度为2000捻/m，碳/石墨烯复合纳米纤维纱直径为300um，碳/石墨烯复合纳米纤维纱脆性大，断裂强度为50mpa，杨氏模量为35gpa，导电率为120s/cm；

(2)在玻璃基板的一面上贴网格纸，并在网格上进行标记，在另一面均匀涂覆浓度为25wt％的聚苯乙烯溶液，热风干燥后得到聚苯乙烯薄膜，其中聚苯乙烯薄膜的透光率为88％；

(3)将碳/石墨烯复合纳米纤维纱伸直后平铺在聚苯乙烯薄膜上，两端用浓度为25wt％的聚苯乙烯溶液进行固定，碳/石墨烯复合纳米纤维纱的正投影位于相邻两根平行的标记线之间，然后用导电硅胶将碳/石墨烯复合纳米纤维纱的两端与铜丝相连，其中铜丝垂直于碳/石墨烯复合纳米纤维纱且铜丝延伸到聚苯乙烯薄膜外，铜丝的直径为0.8mm；

(4)待导电硅胶完全干燥后将浓度为25wt％的聚苯乙烯溶液均匀涂覆在聚苯乙烯薄膜的表面并进行热风干燥，在室温下静置去除内部应力后沿标记线进行剪裁制得长度为70mm，宽度为17.5mm，厚度为1.6mm的碳/石墨烯柔性应变传感器，其中碳/石墨烯柔性应变传感器为三层结构，上表层和下表层为聚苯乙烯薄膜，上下表层厚度相同，中间层为碳/石墨烯复合纳米纤维纱和电极，两电极之间的距离为60mm，碳/石墨烯复合纳米纤维纱平行且等间距排列在聚苯乙烯薄膜中，每10mm宽的传感器内的纱线根数为4。

最终制得的碳/石墨烯柔性应变传感器在伸长率为2.3％的条件下的敏感系数为2500，稳定性较高，在伸长率从0到2.3％之间进行循环拉伸、总测试时间为2000s且循环次数为28的条件下，敏感系数的标准偏差为2.2％。同时碳/石墨烯柔性应变传感器的柔韧性好，自由扭转角度高达360°，沿碳/石墨烯复合纳米纤维纱轴向拉伸后的伸长率为2.7％。

实施例7

一种碳/石墨烯柔性应变传感器的制备方法，步骤如下：

(1)先将石墨烯含量为0.1wt％的聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维纱在空气中以2℃/min的速率升温至278℃进行预氧化，预氧化时间为3h，然后在惰性气体环境中以10℃/min的速率升温至1000℃进行碳化处理，碳化3h后得到碳/石墨烯复合纳米纤维纱，其中聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维纱的纱线直径为1000um，捻度为1800捻/m，碳/石墨烯复合纳米纤维纱直径为500um，碳/石墨烯复合纳米纤维纱脆性大，断裂强度为28mpa，杨氏模量为24gpa，导电率为70s/cm；

(2)在玻璃基板的一面上贴网格纸，并在网格上进行标记，在另一面均匀涂覆浓度为28wt％的聚二甲基硅氧烷溶液，热风干燥后得到薄聚二甲基硅氧烷膜，其中聚二甲基硅氧烷薄膜的透光率为92％；

(3)将碳/石墨烯复合纳米纤维纱伸直后平铺在聚二甲基硅氧烷薄膜上，两端用浓度为28wt％的聚二甲基硅氧烷溶液进行固定，碳/石墨烯复合纳米纤维纱的正投影位于相邻两根平行的标记线之间，然后用导电硅胶将碳/石墨烯复合纳米纤维纱的两端与银丝相连，其中银丝垂直于碳/石墨烯复合纳米纤维纱且银丝延伸到聚二甲基硅氧烷薄膜外，银丝的直径为0.3mm；

(4)待导电硅胶完全干燥后将浓度为28wt％的聚二甲基硅氧烷溶液均匀涂覆在聚二甲基硅氧烷薄膜的表面并进行热风干燥，在室温下静置去除内部应力后沿标记线进行剪裁制得长度为85mm，宽度为5mm，厚度为2mm的碳/石墨烯柔性应变传感器，其中碳/石墨烯柔性应变传感器为三层结构，上表层和下表层为聚二甲基硅氧烷薄膜，上下表层厚度相同，中间层为碳/石墨烯复合纳米纤维纱和电极，两电极之间的距离为80mm，碳/石墨烯复合纳米纤维纱平行且等间距排列在聚二甲基硅氧烷薄膜中，每10mm宽的传感器内的纱线根数为4。

最终制得的碳/石墨烯柔性应变传感器在伸长率为2.1％的条件下的敏感系数为1800，稳定性较高，在伸长率从0到2.1％之间进行循环拉伸、总测试时间为2000s且循环次数为28的条件下，敏感系数的标准偏差为1.2％。同时碳/石墨烯柔性应变传感器的柔韧性好，自由扭转角度高达360°，沿碳/石墨烯复合纳米纤维纱轴向拉伸后的伸长率为2.8％。

技术特征：

技术总结

本发明涉及一种碳/石墨烯柔性应变传感器及其制备方法，首先将聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维纱进行预氧化和碳化后得到碳/石墨烯复合纳米纤维纱，然后将碳/石墨烯复合纳米纤维纱与由热塑性聚合物制得的弹性薄膜、导线和导电胶复合得到碳/石墨烯柔性应变传感器。本发明制备工艺合理，制备过程中传感器性能稳定且传感器的尺寸可以根据需求进行调节，在拉伸伸长率为A的条件下，得到的碳/石墨烯柔性应变传感器的敏感系数为400～2500，在伸长率从0到A之间进行循环拉伸、总测试时间为2000s且循环次数为28的条件下，敏感系数的标准偏差为0.5％～4％，其中A＝1.5％～2.3％。