粘弹性柔软压敏单元初步研究

摘要

曲面层间压力监测是提高国防与工业大型设备的装配速度、保证设备实时准确获得系统运行状态的关键，在人工电子皮肤、国防科技以及汽车制造业等领域具有重大意义。碳纳米管导电性良好，具有极大的长径比，少量碳纳米管填充至聚合物中即可形成导电网络，同时保证了复合材料的柔韧性和压阻灵敏度，可作为柔性压力传感器，由于复合材料受基体材料的影响，具有粘弹性，电阻受时间依赖性严重，传统的“三明治”结构在恒压下电阻随时间变化较大（恒压下最初60秒内电阻变化率大于35％），严重影响传感器的精度。国内外一直致力于减弱其时间依赖性的研究，例如增加导电填料含量或者添加其它固体颗粒，效果不明显反而会降低复合材料的柔韧性。本文提出一种新型结构，即电极旁置式结构，不影响柔软压敏探头柔韧性，使复合材料部分区域受压，研究不同位置引出点的电阻-压力-时间特性规律，致力于减弱复合材料的电阻对时间的依赖性。
　　本课题研究的主要内容包括:
　　(1)以一定的工艺设计制备粘弹性柔性压敏单元试样，以多壁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，采用多电极电路板为压敏单元上下导电板，制作出柔软压敏单元。
　　(2)设计实时多路自动采集系统，以C8051F330为电路控制芯片，MAX308为多路模拟开关，经过模拟开关芯片引入多路电阻，轮流采集电压信号，经模数转换后通过串口上传至上位机进行数据处理，保存并分析。
　　(3)实验数据分析，定量分析电阻-压力-时间特性，并初步定性研究压敏单元压阻机理。
　　已制备0.08∶1、0.12∶1、0.16∶1、0.20∶1四种浓度压敏单元，测试结果表明，电极旁置式A、B、C、D结构在0.1-0.5MPa压力范围内，最初60秒电阻变化率小于8％，远小于“三明治”结构电阻变化率，且阻值随压力增加而上升，在导电网络充分恢复情况下（每次循环卸载1500秒）重复性误差在15％以下。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 发展现状

1．3 柔顺压力传感器

1．4 导电高分子复合材料主要特性

1．4．1 导电机理

1．4．2 渗流效应

1．4．3 压阻特性

1．4．4 粘弹性行为

1．5 课题来源

1．6 课题研究目的和意义

1．7 本文主要研究内容

第2章 压敏单元制备及力学测试平台

2．1 导电高分子复合材料的制备

2．1．1 设备及仪器

2．1．2 实验原材料

2．1．3 制备工艺流程

2．2 压敏单元电路板

2．3 力学测试平台

2．4 本章小结

第3章 采集系统的设计方案

3．1 控制模块

3．2 电源及参考电压模块

3．3 多路模拟开关特性

3．4 模／数转换

3．5 485通讯模块

3．6 下位机程序流程

3．6．1 端口、时钟初始化

3．6．2 A／D转换、串口通讯初始化

3．6．3 A／D转换结束中断服务程序

3．6．4 LED指示程序

3．7 上位机系统程序设计

3．8 本章小结

第4章 实验数据分析

4．1 测试方法和实验说明

4．2 电阻-时间特性

4．2．1 电极旁置式电阻-时间特性

4．2．2 传统“三明治”结构电阻-时间特性

4．2．3 两种结构电阻-时间特性比较

4．3 电阻-压力特性

4．3．1 ABCDE结构电阻-压力特性

4．3．2 “三明治”结构电阻-压力特性

4．3．3 灵敏度分析

4．3．4 相对电阻变化率

4．3．5 两种结构电阻-压力特性比较

4．4 导电相浓度的影响

4．5 引出位置远近的影响

4．6 压敏单元电阻-压力-时间重复性研究

4．7 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

附录