炭黑/铝银粉填充导电橡胶的压阻特性研究及传感器设计

摘要

在现代机器人的研究过程中，智能化是机器人重要的发展方向之一。针对发展机器人的敏锐感知能力提出了更精密更严苛的技术要求。这就急需研制出一种既具有良好柔韧性，又具有优异导电特性的功能材料，由此导电硅橡胶应运而生。导电硅橡胶是由具有导电性能的粒子作为填料，填充到橡胶基体中，通过一定的工艺方法，得到一种复合型功能材料，其中导电填料对导电硅橡胶的性能有决定性作用。本文介绍了导电硅橡胶的国内外发展现状，分析了当前导电硅橡胶的主要研究动向，比较了导电填料的各自优缺点；针对导电填料的优缺点，本文选用炭黑和铝银粉作为导电填料，对添加不同含量的两种填料制得的导电硅橡胶进行性能测试；并利用导电橡胶及压阻传感原理设计传感器，验证这种新型敏感材料的可实用性。
　　主要研究内容如下：
　　（1）基于导电复合材料的宏观和微观两种导电理论学说，研究了导电硅橡胶的导电机理、压阻特性及电阻弛豫特性，并介绍了形成导电通路的三种渗流模型。结果显示，当导电填料的浓度较大时，以导电通路理论为主导；当导电填料的浓度较小时，以电子隧道效应理论为主导，导电硅橡胶的导电性是由两种理论共同作用。
　　（2）通过对原料种类和含量的分析，选择107号硅橡胶为基胶，炭黑和铝银粉为导电填料，正己烷为有机溶剂，正硅酸乙酯为偶联剂，二甲基硅油为稀释剂及一些辅助添加剂，运用溶液共混法制备出不同的实验试样。利用测试仪器对试样进行性能测试，通过对测试结果进行分析与讨论，得出较佳的实验配比方案，从而制备出具有良好综合性能的导电硅橡胶。
　　（3）研究了不同试样的导电性能和压阻特性。对其导电性能分析得知：当填料含量一定时，未添加铝银粉与添加少量的铝银粉比较得出，添加少量的铝银粉可以改变导电硅橡胶的导电性能，由此可知炭黑和铝银粉混合可以改善导电硅橡胶的导电性能，同时也减少了炭黑的用量，降低了成本。对其压阻特性分析得知：添加不同含量的炭黑和铝银粉，制得的样品压阻特性曲线的变化趋势大致相同，通过对比确定了A34（25％炭黑+3%铝银粉）、A35（28%炭黑+3%铝银粉）试样不仅具有良好的导电性能，又有较宽的压阻范围。通过电阻弛豫特性实验，研究试样在恒定外力作用下电阻随时间的变化，分析弛豫现象产生的机理以及施加不同外力对导电硅橡胶内部结构的影响。研究发现，弛豫特性的产生不仅与外加压力、时间有关，还与导电填料的添加量有关，弛豫特性的研究对材料的稳定性及变化敏感性研究极有意义。
　　（4）根据导电硅橡胶材料的特性及传感器的设计需求，采用压阻传感原理并建立压阻模型。通过对导电硅橡胶的性能研究与压阻传感器的外围电路设计，进行了传感器的实验测试，结果表明，本文提出的传感器模型可以测量一定范围内的压力大小。
　　通过实验证明这种导电硅橡胶具有导电性好、压阻范围较宽及弛豫特性小等优点，其所制作的传感器具有准确性高等特点，这对导电硅橡胶材料及传感器的研究具有一定的参考价值。

目录

1 绪论

1.1 选题背景

1.2 导电橡胶材料的发展概况

1.3 国内外研究现状

1.4 本文的提出及研究意义

2 理论基础

2.1 概述

2.2 导电橡胶材料

2.3 导电高分子材料的导电机理

2.4 导电硅橡胶的温敏效应

2.5 小结

3 导电橡胶的制备

3.1 实验材料准备

3.2 实验方案

3.3 实验制备

3.4 实验试样的性能测试

3.5 小结

4 导电硅橡胶的压阻模型及特性研究

4.1. 导电高分子材料的压阻效应和理论模型

4.2 炭黑的含量对导电硅橡胶的电性能影响

4.3 炭黑/铝银粉含量对导电橡胶导电性能的影响

4.4 导电填料含量对导电硅橡胶压阻特性的影响

4.5 温度对导电硅橡胶导电性能的影响

4.6 小结

5 导电硅橡胶的弛豫特性研究

5.1 填充型导电硅橡胶的电阻弛豫特性

5.2 导电硅橡胶电阻弛豫特性曲线分析

5.3 导电硅胶作为敏感材料的优点

5.4 小结

6 压阻传感器设计

6.1 基本设计要求

6.2 信号采集电路

6.3 外部电路模块设计

6.4 硬件电路设计

6.5 实验搭建与测试

6.6 小结

7 结论

致谢

参考文献

附录A：传感器软件设置参数

攻读学位期间发表的学术论文目录

声明