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炭黑/硅橡胶电阻—变形性能的研究

于涛  
【摘要】:随着社会的发展,智能纺织品得到了大力发展。作为智能纺织品的核心元件,与智能纺织品相结合的传感器的发展远远不能满足其要求。由于智能纺织品特殊的性能,如柔韧性、可变形性、舒适性等,要求整合到智能服装上的传感器也要满足这些性能。这就限制了传统传感器在纺织品上的应用。基于此,寻找一种适合智能纺织品的柔性传感器成为本课题的研究重点。 作为智能纺织品的核心部分,其传感器必须具有良好的柔韧性和可穿戴性。目前,国内外学者在这方面研究较多的是织物传感器、压电薄膜传感器等。前者虽能对形变进行测量,但是由于在往复的测量过程中,导电纤维间的不规则滑移导致其机械滞后产生弛豫,所以测量精确度低,重复性差;后者涉及到柔韧性的问题,虽然压电薄膜传感器可以承受厚度方向较大的压力,但是材料不能承受大幅度的弯折,而且只能用于动态信号的测量。炭黑/硅橡胶已经在许多文献中有所提到,该类传感器具有良好的柔韧性和合适的电阻-变形特性。但是该类材料通常电阻变化范围小,对外力信号的敏感性较差;另外,在制备中炭黑易于团聚,使其在橡胶中分散不匀,影响了电阻-变形性能的稳定性。 为了开发一种具有良好柔性且具有电阻-变形特性的传感器,本课题完成了以下四个方面的工作: (1)探索炭黑/硅橡胶的成型方法。分别尝试丝网印刷、机械混合两种方法,通过对比两种方法制的材料的优劣,最终选择机械混合作为制作炭黑/硅橡胶的方法。 (2)搭建测试平台。通过测试方法的建立,测量炭黑/硅橡胶作为传感器的基本性能,确定各成分合适的配比,测量对外力敏感性、电阻-变形重复性、迟滞性能等。确定炭黑/硅橡胶中炭黑的质量分数为12%,随压力增大电阻单调减小,具有良好的电阻-变形重复性能,用加压/卸压阻值的最大偏差表示其迟滞性能为12.7%。 (3)探索改进炭黑/硅橡胶电阻-变形性能的方法。分别通过不同粒径的炭黑混合、在材料中混入纳米二氧化硅材料和对炭黑在不同气氛中的等离子体处理等几种方式,探索提高炭黑/硅橡胶的电阻-变形性能。本文以压阻性能为例。不同粒径的炭黑混合,可以提高炭黑/硅橡胶的压阻线性度和压力敏感性;纳米二氧化硅质量分数占炭黑/硅橡胶3%时,达到最优的降低电阻的效果;通过等离子处理炭黑后,可以提高炭黑/硅橡胶的压力敏感性。 (4)传感器的应用。利用炭黑/硅橡胶制作柔性的织物形变传感器,整合于塑胶手套中,测量手指弯曲变形,并通过VB程序模拟实时显示手指动作。实验发现模拟结果与手指实际动作具有良好的一致性。传感器柔软、弹性好,不会妨碍人体的动作。


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