1.本发明属于功能性传感器件领域，尤其涉及一种柔性磁电式自供能弹性体及其制备方法和应用。
背景技术：2.随着科技和人们生活水平的不断提高，柔性传感器件得到了迅速发展，并已开始逐步在个人健康监测、消费电子，以及人机交互和软体机器人等领域应用。然而，截止目前，供能仍然是制约着柔性传感器件大规模推广的主要因素，具体表现为这类器件多数需要依靠从外部供电或者与储能装置(如电池)等配套工作才能正常使用，而这也限制了它的使用范围、使用寿命以及轻量化智能化等发展方向。因此，开发一种柔性自供能传感器件，即通过器件的自身发电就能保证其正常使用就显得十分必要，而自供能传感器件的开发也将促使这类产品进一步向更轻质量及更小体积等趋势提升。
3.电磁感应现象是指穿过闭合回路的磁通量发生变化而产生感应电动势的现象，它不仅揭示了电与磁之间的内在联系，为电磁相互转化奠定了实验基础，同时也为人类获取巨大而廉价的电能开辟了道路，在实际应用上具有重要的意义。在这一现象首次被法拉第发现之后，以电磁感应为原理的自发电装置开始陆续面世，并逐渐成为一种重要的能量收集装置。然而，目前现有的这类自发电装置中，导电线圈和磁体基本为硬质材料，且质量较重，因此不具有柔性及弹性，难以与柔性传感器件相结合。
4.在这种情况下，若是想将磁电式自供能器件应用在柔性传感器件中，实现器件中磁性部分及导电部分的柔性化和轻量化就显得尤为重要。
5.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
技术实现要素：6.为了解决现有技术中柔性传感器件主要依靠外部供电或储能供电，且供电装置材质较硬，无法实现轻量化、柔性化，限制柔性传感器的应用的技术问题，本发明提供了一种柔性磁电式自供能弹性体及其制备方法和应用。
7.本发明第一方面提供一种柔性磁电式自供能弹性体，包括柔性基体和金属线圈，所述金属线圈被包覆在所述柔性基体内部，所述柔性基体具有磁性。
8.本发明主要是利用电磁感应原理，将人体活动(如手臂的摆动、膝盖的运动等)中产生的生物机械能收集起来，并通过磁体和线圈转化为电能，从而实现自供能的目的。由于在多数柔性传感器件的使用场景中都包含有人体的各类运动，因此电磁自供能装置就能收集并转换这些运动所产生的生物机械能以供传感器件使用，从而为柔性自供能式传感器件的研发开辟了新的道路。
9.在一些实施方式中，所述柔性基体为均匀分布具有电磁感应效应的磁性粒子的有机聚合物。使得柔性基体具有磁性。
10.在一些实施方式中，所述磁性粒子为无机磁粉；优选的，所述无机磁粉选自钕铁硼磁粉、钕镍钴磁粉、氧化铁磁粉、二氧化铬磁粉、钴-氧化铁磁粉中的一种或多种。
11.在一些实施方式中，所述有机聚合物选自苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚二甲基硅氧烷、己二酸丁二醇酯/对苯二甲酸丁二醇酯共聚物中的一种或多种。
12.在一些实施方式中，所述金属线圈可以为任意柔性的金属线圈；优选的，金属线圈为铜线圈。
13.本发明第二方面提供一种柔性磁电式自供能弹性体的制备方法，包括如下步骤：
14.利用3d打印技术打印用于浇筑磁性弹性体的模具；
15.将磁性粒子加入到液态有机聚合物中，搅拌混匀至粘稠，得到浇筑液；
16.将所述浇筑液浇筑于所述模具中，在模具中放入金属线圈，继续浇筑至填满所述模具；
17.静置至所述模具内浇筑液凝固，经后处理即得到所述柔性磁电式自供能弹性体。
18.在一些实施方式中，所述模具上设有若干凹槽。凹槽用于浇筑上述浇筑液，然后将金属线圈放入浇筑液中，继续浇筑，使得金属线圈被包覆在浇筑液中。
19.在一些实施方式中，所述磁性粒子为无机磁粉；优选的，所述无机磁粉选自钕铁硼磁粉、钕镍钴磁粉、氧化铁磁粉、二氧化铬磁粉、钴-氧化铁磁粉中的一种或多种；
20.和/或，所述有机聚合物选自苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚二甲基硅氧烷、己二酸丁二醇酯/对苯二甲酸丁二醇酯共聚物中的一种或多种。
21.在一些实施方式中，所述搅拌的温度为30～90℃；优选的，搅拌速度为50～200转/分钟；更优选的，所述搅拌时间为0.5～2h；直到磁性粒子与有机聚合物的混合物从胶状恰好开始变粘稠为止；
22.和/或，所述静置时间为0.5～2h；静置使浇筑液凝固成型；
23.和/或，所述后处理为干燥处理；优选的，所述干燥的温度为25～60℃；更优选的，所述干燥的时间为6～12小时。用于除去多余的溶剂。
24.本发明第三方面提供一种上述柔性磁电式自供能弹性体或上述制备方法制得的柔性磁电式自供能弹性体在柔性可穿戴领域的应用。
25.相比于现有技术，本发明达到的技术效果如下：
26.(1)本发明通过将磁性粒子与有机聚合物(液态硅胶)混合，再经过浇灌模具定型、烘干等步骤，最终制备出柔性自供能弹性体，这种弹性体由液态硅胶与磁性粒子混合后浇筑而成，因此能够轻易地进行拉伸、压缩等形变过程，且在形变后能够顺利复原；同时由于内含金属导电线圈，因此当发生拉伸或压缩等形变时在闭合回路内能产生感应电动势，因此可以作为一种理想的柔性自供能装置，有利于传感器向轻量化方向发展。
27.(2)由于这种自供能弹性体以液态硅胶固化物作为基体，具有高弹性和拉伸性能，且在形变后能迅速复原，因此这种传感器件实现了电磁装置的柔性化，具有柔软、可弯曲等特性，解决了传统的磁电式自供能装置多为硬质且质量重的问题，从而能够与柔性传感器件配套使用，并组成一体化的柔性自供能传感器件，因此，这种柔性磁电式自供能弹性体可用于制备各类传感器件作用在人体上，并将人体进行手臂、膝盖等肢体运动时产生的生物机械能转化为电能，从而达到自供能的作用。
28.(3)本发明磁性粒子在有机聚合物中分散均匀，所得到的柔性磁电式自供能弹性
体结构稳定；另外，本发明的柔性磁电式自供能弹性体通过模具浇筑的方式制备得到，尺寸可调，形状、大小可根据使用情况灵活调整。
29.(4)本发明的制备方法、设备简单，成本低，绿色环保。
附图说明
30.图1是发明实施例1中金属线圈嵌入柔性基体的结构示意图；
31.图2是图1的放大结构示意图；
32.图3是本发明实施例1中用于浇筑柔性磁电式自供能弹性体模具的结构示意图；
33.图4是本发明实施例3中用于浇筑柔性磁电式自供能弹性体模具的结构示意图。
34.附图标记说明：
35.1-柔性基体；2-金属线圈。
具体实施方式
36.以下结合附图通过具体实施例说明本发明的技术方案。应该理解，本发明提到的一个或者多个步骤不排斥在组合步骤前后还存在其他方法和步骤，或者这些明确提及的步骤间还可以插入其他方法和步骤。还应理解，这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的目的，而非限制每个方法的排列次序或限定本发明的实施范围，其相对关系的改变或调整，在无实质技术内容变更的条件下，亦可视为本发明可实施的范畴。
37.实施例中所采用的原料和仪器，对其来源没有特定限制，在市场购买或者按照本领域内技术人员熟知的常规方法制备即可。
38.实施例1：圆形模具+柔性磁电式自供能弹性体的制备
39.制备步骤包括：(1)利用3d打印技术打印用于浇筑柔性磁电式自供能弹性的模具，如图3所示；模具整体为一个高度为10cm长方体，其中长方体的上下底面均为30
×
20cm2的长方形；长方体内腔均匀排列多个空心结构的圆柱形空腔，其中圆柱直径为5mm，高度为2mm；空心结构的圆柱中心线与模具上下底面的中心线相同；打印完成后将模具放置在水平桌面上；
40.(2)在烧杯中加入5g ecoflex a组分和5g ecoflex b组分，形成均一的液态聚合物；然后将10g钕铁硼磁粉加入步骤(1)得到的液态聚合物中，50℃磁力搅拌1小时后，得到均一的混合液，直到混合物从胶状恰好开始变粘稠为止，随后将其迅速倒入步骤(1)得到的模具的每个圆柱形内腔中，倒入量为内腔高度的一半左右；
41.(3)将直径为2mm，匝数为50圈的闭合铜线圈水平放入步骤(2)得到的模具的每个内腔中，如图1、图2所示，金属线圈2嵌入在柔性基体1内部，再用液态硅胶/磁粉胶状混合物倒满整个内腔，然后静置约1小时，待模具内腔的混合物完全固化后，将模具放置在60℃的烘箱内干燥12小时，干燥完成后取出模具，得到柔性磁电式自供能弹性体；
42.(4)将步骤(3)得到的柔性磁电式自供能弹性体放在拉伸试验仪上，在10mm/s的速率下做匀速形变拉伸，磁线的拉伸形变量为330％。
43.实施例2：圆形模具+柔性磁电式自供能弹性体的制备
44.制备步骤包括：(1)利用3d打印技术打印用于浇筑柔性磁电式自供能弹性的模具；
模具整体为一个高度为10cm长方体，其中长方体的上下底面均为50
×
40cm2的长方形；长方体内腔均匀排列多个空心结构的圆柱形空腔，其中圆柱直径为10mm，高度为2mm；空心结构的圆柱中心线与模具上下底面的中心线相同；打印完成后将模具放置在水平桌面上；
45.(2)在烧杯中加入5g ecoflex a组分和5g ecoflex b组分，形成均一的液态聚合物；然后将23g钕铁硼磁粉加入步骤(1)得到的液态聚合物中，50℃磁力搅拌1小时后，得到均一的混合液，直到混合物从胶状恰好开始变粘稠为止，随后将其迅速倒入步骤(1)得到的模具的每个圆柱体内腔中，倒入量为内腔高度的一半左右；
46.(3)将直径为5mm，匝数为50圈的水平放入步骤(2)得到的模具的每个内腔中，再用液态硅胶/磁粉胶状混合物倒满整个内腔，然后静置约1小时，待模具内腔的粉液态硅胶+磁粉混合物完全固化后，将模具放置在60℃的烘箱内干燥12小时，干燥完成后取出模具，得到柔性磁电式自供能弹性体；
47.(4)将步骤(3)得到的柔性自供能弹性体放在拉伸试验仪上，在10mm/s的速率下做匀速形变拉伸，磁线的拉伸形变量为330％。
48.实施例3：方形模具的制备
49.制备步骤包括：利用3d打印技术打印用于浇筑柔性磁电式自供能弹性的模具，如图4所示，模具整体为一个高度为10cm长方体，其中长方体的上下底面均为30
×
20cm2的长方形；长方体内腔均匀排列多个空心结构的长方体空腔，其中长方体空腔上下底面面积均为5
×
5mm2，高度为2mm；长方体空腔中心线与模具上下底面的中心线相同；打印完成后将模具放置在水平桌面上，得到方形的模具。
50.实施例4：柔性磁电式自供能弹性体的制备
51.制备步骤包括：(1)在烧杯中加入5g ecoflex a组分和5g ecoflex b组分，形成均一的液态聚合物；然后将10g钕铁硼磁粉加入步骤(1)得到的液态聚合物中，50℃磁力搅拌1小时后，得到均一的混合液，直到混合物从胶状恰好开始变粘稠为止，随后将其迅速倒入实施例3得到的模具的每长方体内腔中，倒入量为内腔高度的一半左右；
52.(2)将直径为2mm，匝数为50圈的水平放入上述模具的每个内腔中，再用液态硅胶/磁粉胶状混合物倒满整个内腔，然后静置约1小时，待模具内腔的粉液态硅胶+磁粉混合物完全固化后，将模具放置在60℃的烘箱内干燥12小时，干燥完成后取出模具，得到柔性磁电式自供能弹性体；
53.(3)将步骤(2)得到的柔性自供能弹性体放在拉伸试验仪上，在10mm/s的速率下做匀速形变拉伸，磁线的拉伸形变量为330％。
54.实施例5：柔性磁电式自供能弹性体的制备
55.制备步骤包括：(1)在烧杯中加入5g ecoflex a组分和5g ecoflex b组分，形成均一的液态聚合物；然后将23g钕铁硼磁粉加入实施例3得到的液态聚合物中，50℃磁力搅拌1小时后，得到均一的混合液，直到混合物从胶状恰好开始变粘稠为止，随后将其迅速倒入上述模具的每个长方体内腔中，倒入量为内腔高度的一半左右；
56.(2)将直径为2mm，匝数为20圈的水平放入步骤(2)得到的模具的每个内腔中，再用液态硅胶/磁粉胶状混合物倒满整个内腔，然后静置约1小时，待模具内腔的粉液态硅胶+磁粉混合物完全固化后，将模具放置在60℃的烘箱内干燥12小时，干燥完成后取出模具，并将模具内的柔性自供能弹性体从其内腔中取出。
57.(3)将步骤(2)得到的柔性自供能弹性体放在拉伸试验仪上，在10mm/s的速率下做匀速形变拉伸，磁线的拉伸形变量为330％。
58.实施例6：一种可穿戴智能设备
59.一种可穿戴智能设备，包括实施例1制备得到的柔性磁电式自供能弹性体。将柔性磁电式自供能弹性体内的导电部分与智能设备功能性部件由导线连接，通过用户身体的各类运动带动柔性磁电式自供能弹性体产生形变，进而将运动过程中产生的生物机械能转化为电能，实现可穿戴智能设备的自供能化。
60.前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
技术特征：1.一种柔性磁电式自供能弹性体，其特征在于，包括：柔性基体(1)和金属线圈(2)；其中，所述金属线圈(2)被包覆在所述柔性基体(1)内部，所述柔性基体(1)具有磁性。2.根据权利要求1所述的柔性磁电式自供能弹性体，其特征在于，所述柔性基体为均匀分布具有电磁感应效应的磁性粒子的有机聚合物。3.根据权利要求2所述的柔性磁电式自供能弹性体，其特征在于，所述磁性粒子为无机磁粉；优选的，所述无机磁粉选自钕铁硼磁粉、钕镍钴磁粉、氧化铁磁粉、二氧化铬磁粉、钴-氧化铁磁粉中的一种或多种。4.根据权利要求2所述的柔性磁电式自供能弹性体，其特征在于，所述有机聚合物选自苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚二甲基硅氧烷、己二酸丁二醇酯/对苯二甲酸丁二醇酯共聚物中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的柔性磁电式自供能弹性体，其特征在于，所述金属线圈为铜线圈。6.一种柔性磁电式自供能弹性体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：利用3d打印技术打印用于浇筑磁性弹性体的模具；将磁性粒子加入到液态有机聚合物中，搅拌混匀至粘稠，得到浇筑液；将所述浇筑液浇筑于所述模具中，在模具中放入金属线圈，继续浇筑至填满所述模具；静置至所述模具内浇筑液凝固，经后处理即得到所述柔性磁电式自供能弹性体。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述模具上设有若干凹槽。8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述磁性粒子为无机磁粉；优选的，所述无机磁粉选自钕铁硼磁粉、钕镍钴磁粉、氧化铁磁粉、二氧化铬磁粉、钴-氧化铁磁粉中的一种或多种；和/或，所述有机聚合物选自苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚二甲基硅氧烷、己二酸丁二醇酯/对苯二甲酸丁二醇酯共聚物中的一种或多种。9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述搅拌的温度为30～90℃；优选的，搅拌速度为50～200转/分钟；更优选的，所述搅拌时间为0.5～2h；和/或，所述静置时间为0.5～2h；和/或，所述后处理为干燥处理；优选的，所述干燥的温度为25～60℃；更优选的，所述干燥的时间为6～12小时。10.权利要求1至5任一项所述的柔性磁电式自供能弹性体或权利要求6-9任一项所述的制备方法制得的柔性磁电式自供能弹性体在柔性可穿戴领域的应用。
技术总结本发明涉及一种柔性磁电式自供能弹性体及其制备方法和应用，属于功能性传感器件领域。该柔性磁电式自供能弹性体包括：柔性基体和金属线圈，所述金属线圈被包覆在所述柔性基体内部，所述柔性基体具有磁性。本发明通过将磁性粒子与有机聚合物(液态硅胶)混合，再经过浇灌模具定型、烘干等步骤，最终制备出柔性自供能弹性体，这种弹性体由液态硅胶与磁性粒子混合后浇筑而成，因此能够轻易地进行拉伸、压缩等形变过程，且在形变后能够顺利复原；同时由于内含金属导电线圈，因此当发生拉伸或压缩等形变时在闭合回路内能产生感应电动势，因此可以作为一种理想的柔性自供能装置，有利于传感器向柔性化和轻量化方向发展。感器向柔性化和轻量化方向发展。感器向柔性化和轻量化方向发展。
技术研发人员：杜卓林 裴晓东
受保护的技术使用者：中钢集团南京新材料研究院有限公司
技术研发日：2022.07.22
技术公布日：2022/11/1
