基于炭黑填充导电橡胶的力敏传感器的灵敏度

以通用有效介质理论为基础,给出了,炭黑填充导电橡胶(炭黑/橡胶)的力敏传感器灵敏度计算方程.采用该方程并结合形变和压阻效应,分析了影响力敏导电炭黑/橡胶的灵敏度的主要参数.结果表明:炭黑体积分数是影响力敏导电炭黑/橡胶的灵敏度的主要参数.当炭黑体积分数在临界体积分数附近时,力敏导电炭黑/橡胶的灵敏度为0.1～11.5 MPa-1,其敏感机制主要为压阻效应.当炭黑体积分数在渗流区时,灵敏度为0.2～3.6 MPa-1,其敏感机制还与接触压力的大小有关,压力较小时,主要为压阻效应;压力较大时,主要为应变效应.若炭黑体积分数在传导区,灵敏度为0.3～1.7 MPa-1,其敏感机制主要为应变效应.     

基于炭黑填充导电橡胶的力敏传感器的灵敏度

以通用有效介质理论为基础, 给出了炭黑填充导电橡胶(炭黑/橡胶)的力敏传感器灵敏度计算方程。采用该方程并结合形变和压阻效应, 分析了影响力敏导电炭黑/橡胶的灵敏度的主要参数。结果表明: 炭黑体积分数是影响力敏导电炭黑/橡胶的灵敏度的主要参数。当炭黑体积分数在临界体积分数附近时, 力敏导电炭黑/橡胶的灵敏度为0.1～11.5 MPa^-1, 其敏感机制主要为压阻效应。当炭黑体积分数在渗流区时, 灵敏度为0.2～3.6 MPa^-1, 其敏感机制还与接触压力的大小有关, 压力较小时, 主要为压阻效应; 压力较大时, 主要为应变效应。若炭黑体积分数在传导区, 灵敏度为0.3～1.7 MPa^-1, 其敏感机制主要为应变效应。     

基于炭黑填充导电橡胶的压力传感器非线性特性

通过分析力敏炭黑填充导电橡胶(力敏导电炭黑/橡胶)"负电阻-压力系数"(NPCR)的主因,研究了基于炭黑填充导电橡胶的力传感器非线性特性。研究表明,当炭黑体积分数接近临界渗流体积分数时,NPCR非线性的主因为电阻率的非线性减小;炭黑体积分数在渗流区时,NPCR非线性的主因为电阻率的非线性减小和导电橡胶应力-应变关系的非线性;若炭黑体积分数在传导区时,NPCR非线性的主因为应力-应变关系的非线性。随着炭黑体积分数的增大,力敏导电炭黑/橡胶的NPCR非线性逐渐减弱。此外,由于界面压阻效应以及导电橡胶近似不可压缩体的性质,用于获取NPCR效应的电极分布形式也对NPCR效应的非线性特性存在影响。     

力敏导电橡胶中的应变和压阻效应及工作原理分析

分析了应变和压阻效应对"负压力-电阻特性"(NPC)的影啊程度,揭示出力敏导电橡胶的工作原理.当填料用量处在渗流区中心时,电阻率的减小在NPC效应中占主导,导电橡胶的工作原理主要为压阻效应.随着填料用量的增多,电阻几何系数的减小在NPC效应中起主导,其工作原理主要为应变效应.在某一特定填料用量范围,力敏导电橡胶的工作原...     

基于炭黑填充导电橡胶的压力/温度传感器非线性特性

通过研究电阻率和电阻几何系数对"负电阻-压力系数"(NPCR)和"正电阻-温度系数"(PTCR)的影响,分析了炭黑填充导电橡胶(导电炭黑/橡胶)的压力/温度传感器的非线性特性。结果表明: 导电炭黑/橡胶的NPCR和PTCR效应产生非线性的主要原因为电阻率的非线性变化; 当炭黑体积分数接近渗流体积分数时,其电阻率对体积的变化敏感程度高,此时,导电炭黑/橡胶的NPCR和PTCR效应的非线性特性较强; 由于导电炭黑/橡胶的体压缩系数大于其热膨胀系数,且导电炭黑/橡胶在压力场和温度场下的形变过程不同,导电炭黑/橡胶NPCR效应的非线性强于PTCR效应的非线性。     

炭黑填充导电橡胶的温度传感器灵敏系数

以通用有效介质理论为基础,给出了炭黑填充导电橡胶(导电炭黑/橡胶)的温度传感器电阻-温度计算模型。利用该模型得出材料的灵敏系数计算公式,并结合形变和电阻率的变化对正电阻-温度特性(PTCR)的影响分析材料的灵敏系数特性。结果表明:在炭黑分布均匀、体积分数在渗流体积分数附近等条件下,电阻-温度计算模型与实验吻合,表现出一致的PTCR变化规律。导电炭黑/橡胶的PTCR效应主要源于基体膨胀导致炭黑体积分数的稀释作用,若炭黑体积分数在渗流区,导电炭黑/橡胶的灵敏系数为280~420;当炭黑体积分数在传导区时,其灵敏系数为32.5~62.0。导电炭黑/橡胶的PTCR效应是热-形变与形变-电导过程的乘积效应,导电炭黑/橡胶的灵敏系数高,但其体积膨胀系数低,使材料的电阻温度系数较低。     

炭黑填充型导电橡胶的压力/温度特性研究

分析了导电橡胶的压阻效应和温度效应,实验制备了导电橡胶试样,并研究了试样添加不同导电粒子后的压阻特性和温度特性。研究表明,导电橡胶添加不同导电材料时呈现出不同的温度特性,随温度的升高,单独添加乙炔炭黑的导电橡胶在30～70℃之间呈现负温度效应,在70～120℃之间呈现正温度效应;乙炔炭黑与N472并用的导电橡胶随温度的升高呈现正温度效应;添加纳米Al2O3的导电橡胶随温度的升高呈现正温度效应和负温度效应。探讨了压力变化时电阻率与温度的相关性,分析了产生不同温度特性的主要原因。     

导电炭黑填充硅橡胶的电阻温度系数

以炭黑(CB3100)为导电相,硅橡胶为基质制备导电复合材料。研究导电橡胶中炭黑质量分数对电阻温度系数的影响,并用填料对电阻温度系数的影响。以隧道效应理论为基础,给出了导电炭黑填充橡胶的电阻温度系数计算模型,结合实验得到温度对导电炭黑/硅橡胶电阻温度系数的影响主要体现在对其电阻率的影响;基体的体积热膨胀提高复合材料的电阻率,提高了正电阻温度系数;炭黑粒子间的隧道效应降低复合材料的电阻率,增强了负电阻温度系数;在炭黑/硅橡胶中加入少量碳纳米管,利用碳纳米管和炭黑的协同补强效应,使复合材料的导电性和稳定性提高。     

用于复合式柔性触觉传感器的导电复合材料研究

根据目前不同导电填料的导电橡胶导电机理的分析,理论分析了填加炭黑和石墨的导电橡胶所具有的压阻效应与电阻温度效应,由GEM模型获得填加炭黑的导电橡胶压阻计算模型,由层积模型获得填加石墨的导电橡胶电阻温度计算模型,并对其理论模型进行了验证。通过实验得出以炭黑和石墨作为主要导电填料的导电橡胶可用于复合式柔性触觉传感器的压力与温度的检测。     

基于GEM模型的炭黑/硅橡胶拉伸传感器的工作原理分析

分析了电阻率和电阻几何系数对基于炭黑/硅橡胶的力敏导电橡胶的"正拉力-电阻特性"(positivetensile coefficient of resistance,PTCR)的影响程度,揭示了力敏导电橡胶拉伸过程的电阻变化机理。在一定拉伸范围内(40%),当导电填料用量处在渗流区中心时,电阻率的增大是引起PTCR效应的主要原因。随着导电填料用量的增大,电阻几何系数的增大成为引起PTCR效应的主要原因。在某一特定导电填料范围内,力敏导电橡胶的"正拉力-电阻特性"还与拉伸长度有关。拉伸长度较小时,电阻几何系数的增大在PTCR效应中占主导;拉伸长度较大时,电阻率的增大在PTCR效应中占主导。     

柔性触觉传感器用温度敏感导电橡胶的电阻-温度模型

以通用有效介质理论为基础,得出柔性触觉传感器用温度敏感导电橡胶的电阻-温度计算模型。采用炭黑-硅橡胶导电复合体系(导电/炭黑橡胶)作为实验材料,对该模型进行了实验验证。结果表明,在填料分布均匀、体积分数接近渗流体积分数等边界条件下,电阻-温度计算模型与实验结果吻合,表现出一致的"电阻-正温度系数"(PTCR)变化规律。在温度场的作用下,基体的体积膨胀而导致炭黑浓度被稀释的过程对PTCR效应存在重要影响;基体的体积膨胀导致材料形状的改变对PTCR效应无显著影响。     

乙炔炭黑表面氧化改性及对硅橡胶压阻特性的影响

采用气相法和液相法分别对炭黑表面进行氧化预处理,通过傅里叶变换红外光谱仪、扫描电子显微镜能谱分析等分析手段对处理后炭黑的结构进行了表征,并将其填充到硅橡胶中制成导电橡胶复合材料。通过扫描电镜对试样进行形貌分析,并以压阻试验台测试了所制试样的压阻性能。实验结果表明,在橡胶基质中气相法处理的炭黑分散性好于液相法,结果与炭黑在水溶性基质中的分散性相反。在200℃通O2氧化1h得到的炭黑表面修饰的羟基、羧基等含量高,在硅橡胶中的分布均匀,处理后炭黑的填充导电橡胶电阻降低1个数量级,并且呈良好压阻特性,进一步提高了基于导电橡胶的柔性压力传感器的应用范围。     

The Semiconductor/Conductor Interface Piezoresistive Effect in an Organic Transistor for Highly Sensitive Pressure Sensors

The piezoresistive pressure sensor, a kind of widely investigated artificial device to transfer force stimuli to electrical signals, generally consists of one or more kinds of conducting materials. Here, a highly sensitive pressure sensor based on the semiconductor/conductor interface piezoresistive effect is successfully demonstrated by using organic transistor geometry. Because of the efficient combination of the piezoresistive effect and field‐effect modulation in a single sensor, this pressure sensor shows excellent performance, such as high sensitivity (514 kPa^?1), low limit of detection, short response and recovery time, and robust stability. More importantly, the unique gate modulation effect in the transistor endows the sensor with an unparalleled ability—tunable sensitivity via bias conditions in a single sensor, which is of great significance for applications in complex pressure environments. The novel working principle and high performance represent significant progress in the field of pressure sensors.     

炭黑填充型导电复合材料的压阻计算模型及实验验证

为研究新型传感器材料,在通用有效介质理论的基础上,提出了炭黑填充型导电复合材料的压阻特性数学计算模型,定量地得出炭黑颗粒的基本特征参数、体积分数和聚合物基体的弹性模量在复合材料压阻规律中的影响。分别以硅橡胶和高密度聚乙烯为基体相,三种不同粒径的炭黑为导电相,制备了炭黑填充型复合材料,对计算模型进行了实验验证。在炭黑颗粒分布均匀、炭黑体积分数在渗流阈值附近和外加压力≤2 MPa等三个边界条件下,数学计算模型与实验结果基本吻合,且压力-电阻变化规律一致。