填充炭黑对柔性触觉传感器用导电硅橡胶性能的影响.pdf

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1、黄英等：填充炭黑对柔性触觉传感器用导电硅橡胶性能的影响填充炭黑对柔性触觉传感器用导电硅橡胶性能的影响黄英，黄钰，高峰，刘平，葛运建(1．合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽合肥230009；2．中国科学院合肥智能机械研究所，安徽合肥230031)摘要：炭黑添加到绝缘的硅橡胶中，制备具有压阻炭黑种类结构特点对压敏导电硅橡胶渗流特性和压阻特性的导电硅橡胶是触觉传感器常用的一种材料。通特性的影响。有利于选取合适的炭黑来制备高性能触过实验研究3种填充炭黑制成的导电硅橡胶的渗流现觉传感器用的导电硅橡胶。象、相同体积分数时压阻特性。显示3种炭黑填充

2、的2炭黑填充高分子聚合物的导电机理导电硅橡胶具有不同的渗流阈值，同体积分数下的压阻特性也不相同。相同种类炭黑的添加量改变时，在目前导电粒子填充复合材料的导电机理主要有两渗流阈值附近导电硅橡胶的压阻特性最明显。利用扫大类『7叫：导电通路论和隧道效应论，此外也有一些其描电镜(SEM)分析导电硅橡胶的断面形貌，表明导电它的论断。两种理论在复合物体系中都有所体现，随硅橡胶性能与填料炭黑的分布有关，而炭黑的分布又着掺入炭黑剂量的不同各自对复合材料导电率的影响与其结构相关：粒径越小、表观密度和比表面积越大的程度不同。在炭黑含量较高时，复合材料中的导电模

3、高结构炭黑分散性越好，导电硅橡胶的渗流阂值越小，式主要是导电通路，而在炭黑含量较低时，隧道效应是相同体积分数下所获得压阻特性越显著。主要的导电模式。关键词：导电硅橡胶；炭黑；渗流阈值；压阻特性2．1导电通路论中图分类号：TP212．1文献标识码：A炭黑粒子掺入高分子聚合物中，其链状结构受到文章编号：1001—9731(2010)02—0225—03高分子聚合物的湿润不完全，它们在高分子复合材料1引言中彼此接触链接，形成网络。当炭黑的填充量比较高，超过渗透阈值L1时，炭黑粒子间距将缩小，当粒子间高分子基复合导电材料是在聚合物中掺人一定比距进一

4、步减小至几纳米时，粒子间的接触可以近似为例的导电填充剂，如：金属粉、碳纤维、炭黑、碳纳米管、纯粒子接触，认为此时的导电行为是由炭黑直接接触石墨等。凭借其优良的化学稳定性、较小的密度、在胶而产生。导电粒子间相互接触形成了一个个连续的网料基质中良好的分散性，炭黑成为常用的导电填料。链。可用有效介质模型(GEM)预测炭黑填充硅橡胶同时，良好的弹性、耐磨性、费用低廉使得橡胶成为复复合材料的导电率。GEM方程电导率表达式为[1：合材料中常用的高分子基体n]。压力敏感导电橡胶是(1一)(“一‘)I(dj一在橡胶中掺人特定比例的导电填料制备而成，该材料一

5、n，1、除具备一定的导电性之外，最重要的是具有压力敏感；t+!orj^+!1／tc特性[2]，材料的电阻与所施加的外部压力之间有一定式中庐是导电颗粒在复合材料中的体积分数，≯的函数关系。因而可以通过检测材料电阻的变化来获是渗流通道形成时导电填料的临界体积分数即临界渗得力的信息，根据压力敏感导电橡胶的压力敏感特性，流阈值；是基体的导电率，crh是导电颗粒的导电率，每一小截的压力敏感导电橡胶都可以制成触觉传感器是复合材料的导电率；t是复合材料的渗流系数。的一个敏感单元，只需要简单的电路就可把传感器信2．2隧道效应理论号提取出来。由于本身具有良好

6、柔性，以及制作工艺炭黑粒子分散在高分子复合材料内，未形成相互简单，低成本等特点，使得压力敏感导电橡胶在机器连接的导电通路条件下，复合材料在炭黑填充量一定人、人体健康、体育训练、康复医疗等领域的柔性触觉但未达到渗透阈值时仍然具有导电性。此时高分子复压力分布的研究中起着重要作用l_3]。有学者研究了不同的导电填料如炭黑、碳纳米管、合材料导电是由存在于其中的炭黑粒子间的电子跃迁形成，这种导电模式是复合材料未形成导电网络时的碳纤维对导电橡胶性能的影响，但是对于不同型号的同种类型填料对导电硅橡胶性能影响的研究还较为少主要模式。电子跃迁是由于炭黑粒子间

7、距接近到一定见n]。本文主要分析不同种类炭黑填充复合压敏导程度时，粒子间距所代表的势垒能级下降，受量子效应电硅橡胶的渗流现象和压阻特性，依据导电机理分析的影响，电子可以在炭黑材料的碳元素问移动，也就是*基金项目：国家自然科学基金资助项目(60672024)；国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2007AAO4Z220)收到初稿日期：2009—07—03收到修改稿日期：2009—12-12通讯作者：黄英作者简介：黄英(196O一)，女，安徽休宁人，教授，硕士生导师，主要从事敏感材料与传感技术的研究。226助窖才斟2010年第2期(4

8、】)卷发生了电子跃迁。正是由于这种电子跃迁才使得在炭颗粒的平均粒度即粒径尺寸和表观密度、比表面积有黑填充量未达到渗流阈值时复合材料也能导电。关：粒径尺寸越小、表观密度越大、比表面