粘弹性压敏元件阻抗松弛研究

摘要

导电高分子复合材料具有很好的柔韧性和压力阻抗灵敏度，可作为柔性压力传感器应用在航空航天国防等领域的复杂机械层狭小曲面之间。由于复合材料受基体材料的影响，具有粘弹性，阻抗受时间依赖性严重，严重影响传感器的性能。因此有必要定量研究这种材料压力阻抗效应的时间依赖性，通过对复合材料阻抗松弛的监测实现对其应力松弛的监测，这种研究可以在不影响传感器柔韧性的前提下消除应力松弛的影响，具有重要意义。
　　本文利用复合材料的松弛初始应力和加载速度对松弛过程的影响规律，设计一种可实现应力松弛监测的阻抗-应力转换方法。主要工作内容有以下四个方面:
　　(1)以碳纳米管为导电填料，硅橡胶为基体材料，采用溶液共混法，在机械搅拌同时辅以超声波分散处理，制备封闭“三明治”式碳纳米管填充硅橡胶复合材料试样（碳纳米管与硅橡胶质量比为0.08∶1、0.12∶1和0.16∶1）;
　　(2)搭建复合材料的应力松弛实验（加载应力0.1MPa～0.4MPa，加载速度0.1 mm/min～10mm/min）平台，获取试验中阻抗、应力、应变随时间变化的数据;
　　(3)定量分析加载过程和松弛过程中阻抗-应力-应变-时间的变化特性，并研究碳纳米管与硅橡胶的质量比、松弛初始应力、加载速度对以上特性的影响;
　　(4)在复合材料阻抗松弛和应力松弛变化规律的基础上建立复合材料阻抗松弛拟合公式，初步分析复合材料的导电机理，设计的阻抗-应力转换方法实现了应力松弛的测量，应力松弛测量相对误差小于15％(监测范围:0.1MPa～0.4MPa)。
　　本文的研究结果可为导电高分子复合材料导电性、阻抗时间依赖性的研究提供理论和实验依据，并为研制基于导电高分子复合材料的用于应力松弛测试的柔性压力传感器提供技术基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 压力传感器发展

1．3 国内外研究现状和发展动态

1．3．1 导电高分子复合材料研究现状

1．3．2 导电高分子复合材料导电机理

1．3．3 导电高分子复合材料压阻效应

1．3．4 导电高分子复合材料压阻特性和时间依赖性

1．4 课题研究目的和意义

1．5 课题的创新意义

1．6 课题内容概要

第2章 压敏元件制备及实验平台

2．1 引言

2．2 粘弹性压敏材料制备

2．3 压敏元件制备方法

2．4 实验仪器及测试平台

2．4．1 松弛实验仪器

2．4．2 松弛实验平台

2．5 试样模型的设计

2．6 本章小结

第3章 复合材料阻抗松弛特性研究

3．1 引言

3．2 复合材料阻抗松弛实验载荷过程分析

3．2．1 载荷过程中阻抗、应力与时间变化特性

3．2．2 载荷过程中阻抗与应力、应变变化特性

3．2．3 导电相含量对压力阻抗特性的影响

3．3 复合材料阻抗松弛实验恒应变过程分析

3．3．1 松弛过程中阻抗-应力-时间特性分析

3．3．2 导电相含量对松弛特性的影响

3．3．3 松弛过程重复性分析

3．3．4 阻抗松弛及应力松弛拟合

3．4 本章小结

第4章 应力松弛监测研究

4．1 引言

4．2 阻抗-应力转换方法研究

4．2．1 阻抗-应力比例值k分析

4．2．2 阻抗-应力插值方法分析

4．2．3 阻抗-应力转换方法误差分析

4．3 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 研究工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文及专利