一種納米導電橡膠傳感單元的制作方法

本實用新型涉及測力技術領域，尤其涉及一種納米導電橡膠傳感單元。

背景技術：

納米導電橡膠是一種在絕緣橡膠基體中摻入納米級導電填料后而產生導電性能的復合材料。由于其具有良好的壓阻特性、耐久性、耐疲勞性和柔韌性，已經被廣泛研究用作壓力傳感材料，并且在機器人、醫療、航天等領域取得了應用。

研究表明，納米導電橡膠作為壓敏材料時，其量程與導電橡膠的厚度、硬度和制作工藝有關。通過提高納米導電橡膠的厚度和硬度可以適量的提高其量程范圍。而薄片式壓力傳感器的厚度在某些工作場合往往受到限制，進而限制了納米導電橡膠的厚度；而且較厚的納米導電橡膠材料在較高壓力作用下會因較大的橫向變形而被撕裂，不能達到足夠的機械強度。通過優化納米導電橡膠的成分配比或添加改性材料、補強劑的方式是改善其導電性和機械性能的有效途徑。公開號為CN 104893291A的中國專利公開了一種硅橡膠基力敏復合材料的制備方法，以納米級金屬顆粒作填料，最大壓強測量值為2.4MPa。此外，也有學者通過實驗證明通過添加納米Si0₂和納米Al₂O₃可有效提高復合材料的導電性和壓力敏感范圍。

目前針對納米導電橡膠的研究以炭黑填充型為主，基于納米導電橡膠的壓力傳感器多數處于實驗階段，部分取得工業應用的納米導電橡膠傳感器，由于靈敏度、線性度和量程的限制，尚不能滿足機械、土木工程等領域中大壓強狀態的壓力測量。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題，在于提供一種測力量程大、量程范圍內靈敏度高、壓阻特性曲線線性度好且能滿足薄片式要求的納米導電橡膠傳感單元。

本實用新型解決上述技術問題所采用的技術方案是：

本實用新型提供了一種納米導電橡膠傳感單元，其包括至少兩層織物層，相鄰所述織物層之間填充有納米導電橡膠，所述納米導電橡膠為摻入碳納米管的橡膠基體。

作為上述技術方案的進一步改進，所述碳納米管為多壁碳納米管。

作為上述技術方案的進一步改進，所述多壁碳納米管在所述納米導電橡膠的質量百分比在8%至9%之間。

作為上述技術方案的進一步改進，所述織物層的纖維紋理空隙中滲透有納米導電橡膠。

作為上述技術方案的進一步改進，所述橡膠基體為硅橡膠，所述硅橡膠的基本組分和固化劑的配比為10：1。

本實用新型的有益效果是：

1、本實用新型納米導電橡膠傳感單元通過增設織物層作為骨架，有效提高了納米導電橡膠傳感材料的抗壓強度、抗拉強度和疲勞性能，實現了在0至50MPa的壓強測量范圍內具有較好的靈敏度、線性度及多次循環加載的穩定性，可以應用在機械制造、土木工程等領域高壓狀態下的長期壓力測量。

2、本實用新型納米導電橡膠傳感單元在豎向壓力作用下，測量的電阻值隨著壓力的增大而增大，呈現正壓阻效應，不同于已有的炭黑填充型導電橡膠，壓阻特性曲線線性度好，適合制作高精度的壓力傳感器。

3、本實用新型納米導電橡膠傳感單元的最小厚度可以達到0.5毫米，而且可以適用于任何曲面和形狀的壓力傳感器。

附圖說明

圖1是本實用新型納米導電橡膠傳感單元的整體結構示意圖；

圖2是本實用新型納米導電橡膠傳感單元的斷面微觀圖（用光學顯微鏡拍攝）；

圖3是本實用新型納米導電橡膠傳感單元的測試示意圖；

圖4是本實用新型實施例一制備的納米導電橡膠傳感單元多次加載的電阻—壓強曲線圖；

圖5是本實用新型實施例二制備的納米導電橡膠傳感單元多次加載的電阻—壓強曲線圖；

圖6是本實用新型實施例三制備的納米導電橡膠傳感單元多次加載的電阻—壓強曲線圖。

具體實施方式

以下將結合實施例和附圖對本實用新型的構思、具體結構及產生的技術效果進行清楚、完整地描述，以充分地理解本實用新型的目的、特征和效果。顯然，所描述的實施例只是本實用新型的一部分實施例，而不是全部實施例，基于本實用新型的實施例，本領域的技術人員在不付出創造性勞動的前提下所獲得的其他實施例，均屬于本實用新型保護的范圍。另外，專利中涉及到的所有聯接/連接關系，并非單指構件直接相接，而是指可根據具體實施情況，通過添加或減少聯接輔件，來組成更優的聯接結構。本實用新型中的各個技術特征，在不互相矛盾沖突的前提下可以交互組合。

請參照圖1，本實用新型納米導電橡膠傳感單元為多層結構，其中作為骨架層的高強度織物層1上下間隔多層分布，在織物層1之間用一定厚度的納米導電橡膠2填充。所述織物層1的材料組織密實，具有一定的厚度、彈性和強度，滿足在較高壓力作用下發生彈性變形而不破壞的要求。同時，織物的縱橫纖維形成的紋理有一定的空隙，保證在制備過程中覆蓋在其上的納米導電橡膠溶液能夠滲入到空隙，增強結構的整體性。所述的納米導電橡膠1的基體材料為硅橡膠（PDMS），其由基本組分和固化劑按照10:1的配合比組成；導電填料為碳納米管，優選為多壁碳納米管（MWCNT），多壁碳納米管的質量百分比在8%至9%之間。

織物采用中號或高號氨綸、高彈錦綸等彈性纖維織成（號數越大，纖維越粗），選擇高號紗線是為了保證織物具有一定厚度承載壓下形變。要求彈性纖維彈性具備三個特點：（1）彈性回復率高；（2）回彈迅速；（3）彈性模量高（使其伸長所需負荷高）。彈性回復率計算公式如下：

彈性回復率(%)=[(L₁-L^’₁)/( L₁-L₀)] ×100%；其中：L₀—試樣原始長度；L₁—試樣拉伸至伸長時長度；L^’₁—試樣復位后長度。

本實用新型添加高強度織物層1作為納米導電橡膠傳感單元的勁性骨架，顯著提高了納米導電橡膠在0至50MPa高壓下的強度和韌性，而不發生撕裂，保證了這種傳感單元在高壓下的穩定性和可重復性，可用于制作高量程薄片式柔性納米導電橡膠壓力傳感器。

本實用新型納米導電橡膠傳感單元的工作原理：傳感單元呈薄片狀，當此薄片單元承受上下表面的壓力時，會發生形變，形變包括厚度方向的壓縮和薄片面內的膨脹。形變的發生會使導電橡膠內部碳納米管之間的距離以及由其形成的導電網絡發生變化，這兩方面的變化會表現出導電橡膠的電阻率及電阻發生變化，引起測量電信號的變化，進而根據導電橡膠的壓阻特性可以反推得到承壓面的受力狀態。

本實用新型納米導電橡膠傳感單元的制備主要采用溶液共混法和模壓成型，具體的制備方法如下：

S1、配料：將硅橡膠（PDMS）的基本組分、固化劑與碳納米管按照質量配比進行稱重，倒入攪拌機中，在室溫下，進行機械研磨混合，保證碳納米管在橡膠基體中均勻分布，以制成納米導電橡膠溶液。

S2、合成：準備多塊大小相同的高強度織物，在模具底板平鋪一織物層，將S1中制備的納米導電橡膠溶液均勻涂覆在織物上至一定厚度，再在其上平鋪另一織物層；根據納米導電橡膠傳感元件的厚度需要，可繼續重復涂覆納米導電橡膠溶液和增鋪織物層的過程。

S3、固化：將模具頂板放置在未固化的納米導電橡膠傳感單元最上層織物層上，通過模具上下頂底板的連接作用，給納米導電橡膠材料施加一定的壓力，保證其厚度的均勻性和密實性。將模具放置到60℃的容器中，將容器抽成真空，放置至少300min。

在納米導電橡膠傳感單元固化之后，可以按照傳感器設計要求，用加工刀具將固化的薄片式納米導電橡膠傳感單元切割成需要的大小和形狀，連接上電極和絕緣保護層即完成大量程薄片式柔性納米導電橡膠壓力傳感器的制作。

圖2為本實用新型納米導電橡膠傳感單元的斷面微觀圖，由圖中可以看出：（1）織物在導電橡膠中充當骨架，提高了整個傳感單元的強度；（2）相對于導電橡膠，彈性織物具有更高的彈性模量，提高了整個結構的回彈能力，受壓變形之后其彈性回復率提高，并且回彈迅速的彈性纖維抵消了橡膠固有的回彈遲滯現象；（3）在大壓力的情況下，由于接觸面難以保證絕對平整，以及橡膠本身的成分偏析，導電橡膠易發生應力集中，產生裂紋并失效。但在此結構下，柔軟的織物能有效避免應力集中，并且其在大壓力下依舊能夠保證一定厚度，纖維之間的空隙為導電橡膠的存在提供空間，這對于實現大壓力測量具有重大意義。

圖3是本實用新型納米導電橡膠傳感單元的測試示意圖。如圖3所示，傳感單元3承受箭頭所示壓力，傳感單元3左右兩側的左測量電極41和右測量電極42通過導線5與歐姆表6電連接，在壓力作用下傳感單元3發生形變，電阻增大，呈現正壓阻效應。

實施例一。

按照質量比，硅橡膠（PDMS）的基本組分100份，固化劑10份，雙壁碳納米管9.57份，雙壁碳納米管在納米導電橡膠混合液中的質量占比為8%，織物選用市面購置的一種具有合適厚度、彈性和強度的布料。制備的納米導電橡膠傳感單元為邊長50mm的正方形，厚度為3mm，其中織物層有2層，分別位于傳感單元上下表面；導電橡膠層有1層，位于上下織物層中間，厚度約為1mm。

圖4為本實用新型實施例一制備的納米導電橡膠傳感單元按照圖3的測試方法獲得的4次循環加載電阻隨壓強的變化曲線，可以看出傳感單元在0至50MPa壓強范圍內具有較好的靈敏度、線性度和穩定性，符合制作壓力傳感器的材料要求。

實施例二。

按照質量比，硅橡膠（PDMS）的基本組分100份，固化劑10份，雙壁碳納米管10.22份，雙壁碳納米管在納米導電橡膠混合液中的質量占比為8.5%，織物選用市面購置的一種具有合適厚度、彈性和強度的布料。制備的納米導電橡膠傳感單元為邊長50mm的正方形，厚度為3mm，其中織物層有2層，分別位于傳感單元上下表面；導電橡膠層有1層，位于上下織物層中間，厚度約為1mm。

圖5為本實用新型實施例二制備的納米導電橡膠傳感單元按照圖3的測試方法獲得的4次循環加載電阻隨壓強的變化曲線，可以看出傳感單元在0至50MPa壓強范圍內具有較好的靈敏度、線性度和穩定性，符合制作壓力傳感器的材料要求。

實施例三。

按照質量比，硅橡膠（PDMS）的基本組分100份，固化劑10份，雙壁碳納米管10.88份，雙壁碳納米管在納米導電橡膠混合液中的質量占比為9%，織物選用市面購置的一種具有合適厚度、彈性和強度的布料。制備的納米導電橡膠傳感單元為邊長50mm的正方形，厚度為3mm，其中織物層有2層，分別位于傳感單元上下表面；導電橡膠層有1層，位于上下織物層中間，厚度約為1mm。

圖6為本實用新型實施例1制備的納米導電橡膠傳感單元按照圖3的測試方法獲得的4次循環加載電阻隨壓強的變化曲線，可以看出傳感單元在0至50MPa壓強范圍內具有較好的靈敏度、線性度和穩定性，符合制作壓力傳感器的材料要求。

本實用新型采用多層織物作為骨架層，通過特定的工藝與納米導電橡膠緊密結合，納米導電橡膠滲透進織物空隙里形成穩固的整體。織物層具有很好的彈性、韌性和抗拉強度，既可以與導電橡膠層一起彈性變形，滿足傳感單元的變形需要，又可以限制傳感單元變形過大而保護導電橡膠層在高壓下不被撕裂，有效提高了傳感單元在壓力敏感范圍內的機械強度，在較高壓力作用下反復加卸載而不破壞，具有很好的穩定性和可重復性，使其滿足了制作高量程、大承壓壓力傳感器的要求。

以上是對本實用新型的較佳實施例進行了具體說明，但本實用新型并不限于所述實施例，熟悉本領域的技術人員在不違背本實用新型精神的前提下還可做出種種的等同變形或替換，這些等同的變形或替換均包含在本申請權利要求所限定的范圍內。