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PDMS基柔性电容式传感器制备方法的研究

朱皓哲  
【摘要】:随着现代传感器技术的不断进步,柔性传感器轻薄、小型、智能的优点而使其应用越来越广泛,针对柔性传感器的研究逐渐成为热点,柔性电容式传感器因其原理简单、响应速度快、精度高的特性成为了目前最常见的柔性传感器种类之一。然而如何大规模、高效率制备工作特性优良的柔性电容式传感器仍然是一个难题。本论文基于此问题,以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为高聚物柔性基体,碳纤维(SCF)和碳纳米管(CNT)为功能填料,通过空间限域强制组装法制备了复合传感材料。并进一步,将其组装成电容式传感器,并对结构与制备工艺进行改进,提升了传感器灵敏度,为柔性电容式传感器的制备提出了一个新方法,本文主要内容有:(1)基于空间限域强制组装法(SCFNA)和差温热压印法制备了PDMS/SCF/CNT导电复合材料,将其组装成上下电极片+介电层的“三明治”结构传感元件,并自主设计了水浴加热封装硅胶装置,将其封装成电容式柔性传感器,同时探究不同SCF填料浓度对传感器性能的影响。结果表明,传感器灵敏度随SCF浓度增大而提高,SCF浓度为6%时灵敏度为0.036PF/N,在0-500N工作范围内具有97.4%的线性度、重复性误差为7.4%和迟滞性误差为14.1%。(2)为了提高传感元件拉伸率,设计了 SCFNA—刮涂介电层法和刮涂导电硅胶—介电层法,结果表明经过刮涂法制成的传感元件的拉伸率由原来的110%增大到了 140%以上,且刮涂导电硅胶—介电层法制备的电极与介电层粘接的效果最好,使用SCFNA—刮涂介电层法,PDMS/4%SCF/1%CNT电极材料制备的传感器最大灵敏度为0.036PF/N,迟滞性误差为12.3%。使用刮涂导电硅胶—介电层法制备的传感器在介电层厚度为0.2mm时灵敏度最大为0.141PF/N,迟滞性偏差为7.8%,重复性偏差为2.5%,工作性能均有一定提升。(3)将制成的柔性电容式传感器应用到了高铁减震弹簧动载荷实验中,使用ANSYS软件模拟了高铁弹簧的受力状态,并自主设计了动载荷实验平台与信号采集系统。该系统能记录高铁弹簧受到的实时载荷和监测受力曲线,实验表明该传感器在10-60KN的动载荷作用下工作性能良好,最大滞后仅为0.4%,并测得高铁弹簧在正常状态下变形量为14%,弹性极限为20%。


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