导电硅橡胶复合材料压缩敏感性研究.pdf

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1、动能材料2012年第2期(43)卷导电硅橡胶复合材料压缩敏感性研究廖波，周国庆，万腾飞，商晓(中国矿业大学力学与建筑工程学院，深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州221008)摘要：分别对短切碳纤维和炭黑填充的硅橡胶基用于复合式柔性触觉传感器的压力与温度的检测_6]。导电复合材料试样进行了单次与循环压缩试验，研究黄英等分析了测量炭黑／硅橡胶导电复合材料压阻特两种复合材料的压敏特性及可重复性。测试结果表性时电极位置对实验数据的影响。试验发现，电极外明，两种导电复合材料都具有较好的压缩敏感性；碳纤贴于导电橡胶表面的传感器结构可获得较高的力灵敏维填充时，试样的灵敏度较高，达到250左右，且

2、电阻度[7]。其团队对柔性触觉传感器用炭黑填充硅橡胶复相对值与应变之间基本呈线性关系；炭黑填充时，试样合材料进行了较深入研究L8]。国内的吴菊英、万影具有较好的可重复性，但灵敏度较差。通过导电机理等也都对橡胶／炭黑复合材料进行了压敏性的研研究，对两种导电复合材料不同的导电敏感特性进行究[10,11]。了分析。在导电聚合物复合材料领域，对炭黑填充的复合关键词：导电复合材料；压缩；可重复性；灵敏度材料研究较多，而对碳纤维填充导电复合材料的敏感中图分类号：TB332文献标识码：A性研究还较少。本文以硅橡胶为基体、碳纤维及炭黑文章编号：1001—9731(2012)02—0196—04作为导电填料制作

3、了两种导电橡胶复合材料，分别对其进行了单次与循环压缩试验，重点对其压缩敏感性l引言和可重复性进行了对比分析。在现场工程及室内试验中，应变或应力的量测是2实验获得工程及试验信息的基本内容。目前使用的应变片主要包括金属薄膜应变片与半导体应变片。其中，金2．1原材料及制备属薄膜应变片利用金属压阻效应的原理，其灵敏系数硅橡胶采用室温硫化液体硅橡胶；短切导电碳纤一般较低，为2左右；半导体应变片则是利用半导体的维(CF)及炭黑(ECP—CB)；固化剂、偶联剂等。压阻原理，灵敏系数较高，一般为5O～200[，但其成配制时，首先在硅橡胶中加入经烘干处理后的短本一般较高。两种应变片作为应变测试元件使用时均切碳纤

4、维或炭黑，经搅拌均匀后，加入固化剂、偶联剂，有一定的局限性，导电复合材料的出现为研制新型压再稍加搅拌，最后真空抽除气泡，浇注模具室温下固化阻性敏感元件提供了新的途径。成型。Chang等利用导电聚合物复合材料制作了3×3表1碳纤维及炭黑性能参数柔性传感器阵列，用于结构弯曲变形测试；并认为导电Table1Propertiesofcarbonfiber聚合物复合材料具有柔韧性、加工方便及灵活性，在特密度直径抗拉强度电导率弹性模量定的应用领域有可能取代常规的测试元件[2]。Pham(g／cm。)(“m)(MPa)(n·cm)(GPa)等研究了碳纳米管填充的有机玻璃复合材料的拉伸敏O．O7～0．O3～0

5、．2～ECP—CB

6、／，感性能，试验发现，随着应变的增大，试样的表面电阻O．O8O．O40．6率不断增大[3]。Dang等研究了碳纳米管一硅橡胶导电6OO～3～7CF1．5～1．711～153O～50800×10—0复合材料的压阻特性，试验发现该种材料具有优越的压阻特性，经拟合处理可获得线性的压力一电阻相对值2．2试样制作曲线l_4]。Wang等对炭黑充填硅橡胶基复合材料的压试样尺寸为20ram×20mmx40mm，两端预埋铜阻特性进行了较为系统的研究，试验研究表明，不同含丝网电极，与导线焊接引出。为便于压缩试验，在试样量的炭黑充填时，复合材料表现出不同的压阻特性_5]。两端粘接了环氧树脂板用

7、于绝缘，见图1。赵等根据GEM模型获得填加炭黑的导电橡胶压阻计2．3试验与测试算模型，并由层积模型获得填加石墨的导电橡胶电阻试样压缩试验在TY8000型伺服控制试验机上完温度计算模型，并对其理论模型进行了验证。通过实成。试验机加载能力为5O～5000N，精度0．5；位移验得出以炭黑和石墨作为主要导电填料的导电橡胶可精度0．01mm，位移速率0．1～1000mm／min。试样的*基金项目：国家自然科学基金资助项目(50974117)收到初稿日期：2011—06—28收到修改稿日期：2011—11—28通讯作者：周国庆作者简介：廖波(1985一)，男，江苏睢宁人，在读博士，师承周国庆教授，主要从事

8、导电敏感复合材料及其在土木工程领域中的应用基础研究。廖波等：导电硅橡胶复合材料压缩敏感性研究电阻值由DateTaker800数据采集仪实时测试采集，其根据灵敏系数k。的定义：电阻测试范围为O～100kl2。△R，AL△R／R0，、‰一一_分别对炭黑硅橡胶复合材料试样(简称CB试样)和碳纤维硅橡胶复合材料试样(简称CF试样)进行了式中，AR／R。为电阻的相对变化值，e为应变值。单次压缩及多次循环压缩