炭黑填充壓敏矽橡膠導電機理及壓力分布表征研究

《炭黑填充壓敏矽橡膠導電機理及壓力分布表征研究》是依託昆明理工大學，由李斌擔任項目負責人的地區科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：炭黑填充壓敏矽橡膠導電機理及壓力分布表征研究
• 項目類別：地區科學基金項目
• 項目負責人：李斌
• 依託單位：昆明理工大學

項目摘要

在橡膠中填入導電材料可製成導電橡膠，其導電性能與橡膠基質、填料種類、填充量以及溫度等因素有關。當導電填料量合適時，複合材料的電阻率隨外加壓力的變化而變化。利用這一特性，導電橡膠可用於測量平面及曲面壓力分布。套用巨觀導電通路理論和微觀隧道電流理論，研究導電橡膠導電機理。分析炭黑填充型導電矽橡膠導電網路形成機制和電流傳導行為。通過理論和實驗研究，獲得導電特性曲線的分布規律，確定使壓敏橡膠具有電學性能、力學性能和柔韌性的質量配比。研究提高和改善複合材料導電性能的改性機理和方法。通過對壓敏橡膠體壓阻行為和表面壓阻行為的研究，建立壓阻計算模型。研究壓敏橡膠的溫度效應，確立複合材料電導率與溫度之間的數學模型。進行壓敏橡膠動態回響和機械強度研究。設計新型的壓力分布檢測柔性壓力感測器結構，獲得相關感測器特性。提出平面壓力分布和曲面壓力分布表征新方法。研究在小間隙及流體壓力作用下，實現壓力分布測量的新方法。

結題摘要

以矽橡膠為基體加入炭黑而製得的填充複合型導電高分子材料具有壓阻性、溫阻性，是柔性感測技術領域很有套用價值的研究內容。 研究表明，炭黑/矽橡膠複合材料的體系電阻率隨炭黑濃度的變化是不連續的，表現出非線性的滲濾導電現象，機理是導電通路理論與隧道效應理論同時存在。在不同條件下，是以其中一種為主或兩者同時作用。炭黑含量較少時，炭黑粒子間間距較大無法直接接觸形成導電鏈，電子發生躍遷形成隧道電流，隧道效應起主導作用；炭黑含量較大時，單位體積炭黑粒子密度較大形成導電網路，此時導電通路理論占主導作用。 通過實驗研究確定了製備導電橡膠的原料配比，結合炭黑並用、添加改性劑等方式，最佳化了製備工藝。採用氣相法和液相法分別對炭黑表面進行了氧化預處理，有效提高了炭黑在矽橡膠中的分散性。 導電矽橡膠呈現多樣化的壓阻行為，其壓阻效應包括表面壓阻效應、體壓阻效應以及應變電阻效應，而且材料表面電阻靈敏度高於體電阻靈敏度。一定炭黑添加量時，複合材料的電阻率隨著壓力的增大而減小，據此明確了壓力與電阻之間的變化規律，建立了有效壓敏區間的計算模型。通過搭建液壓、氣壓實驗平台，探索了導電橡膠在液體以及氣體作用下的壓阻特性。 導電橡膠導電特性還表現在其回響的遲滯性及弛豫性。通過分析計算不同外力作用下的遲滯性係數，繪製了材料的遲滯曲線，通過添加納米改性材料，遲滯改善明顯。導電矽橡膠弛豫現象與材料的應力鬆弛行為存在一定的關聯性，而且弛豫時間與基體的幾何結構、炭黑填量、載入大小、環境溫度等有關。用指數弛豫方程可以較好的描述弛豫現象。 導電橡膠的溫度效應表現在，當壓力恆定、逐漸升溫時，在熱膨脹和熱擾動共同作用下，複合材料先呈現負溫度係數效應後呈現正溫度係數效應，有一轉折點；溫度恆定時，電阻率隨壓力的增加先突降後平穩。建立了導電橡膠的溫阻模型。用最小二乘法進行溫度補償，其靈敏度和溫度係數均有提高。 研究了導電橡膠力敏回響的靜態性能和動態性能，分析了多種條件下的測量範圍、靈敏度、重複性等性能指標，以及單位階躍回響性能參數。實驗並獲得複合材料增強抗老化、耐腐蝕的有效方法。 設計了一種導電橡膠陣列感測器單元結構，採用獨立節點形式以減少電阻串擾，開發並製作了一套陣列式壓力分布檢測系統，初步實現了平面壓力測量與成像顯示。 通過對導電橡膠製備工藝、壓阻行為、溫阻效應、回響規律、感測特性、改性機理等方面的研究和探索，對其導電性能和特殊用