在現(xiàn)場工程及室內(nèi)試驗中,應(yīng)變或應(yīng)力的量測是獲得工程及試驗信息的基本內(nèi)容。目前使用的應(yīng)變片主要包括金屬薄膜應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片。其中,金屬薄膜應(yīng)變片利用金屬壓阻效應(yīng)的原理,其靈敏系數(shù)一般較低,為2左右;半導(dǎo)體應(yīng)變片則是利用半導(dǎo)體的壓阻原理,靈敏系數(shù)較高,一般為50-200,但其成本一般較高。兩種應(yīng)變片作為應(yīng)變測試元件使用時均有一定的局限性,導(dǎo)電復(fù)合材料的出現(xiàn)為研制新型壓阻性敏感元件提供了新的途徑。Chang等利用導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料制作了3×柔性傳感器陣列,用于結(jié)構(gòu)彎曲變形測試;并認為導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料具有柔韌性、加工方便及靈活性,在特定的應(yīng)用領(lǐng)域有可能取代常規(guī)的測試元件。Pha等研究了碳納米管填充的有機玻璃復(fù)合材料的拉伸敏感性能,試驗發(fā)現(xiàn),隨著應(yīng)變的增大,試樣的表面電阻率不斷增大。Dang等研究了碳納米管-硅橡膠導(dǎo)電復(fù)合材料的壓阻特性,試驗發(fā)現(xiàn)該種材料具有優(yōu)越的壓阻特性,經(jīng)擬合處理可獲得線性的壓力-電阻相對值曲線。Wang等對炭黑充填硅橡膠基復(fù)合材料的壓阻特性進行了較為系統(tǒng)的研究,試驗研究表明,不同含量的炭黑充填時,復(fù)合材料表現(xiàn)出不同的壓阻特性趙等根據(jù)GEM模型獲得填加炭黑的導(dǎo)電橡膠壓阻計算模型,并由層積模型獲得填加石墨的導(dǎo)電橡膠電阻溫度計算模型,并對其理論模型進行了驗證。通過實驗得出以炭黑和石墨作為主要導(dǎo)電填料的導(dǎo)電橡膠可用于復(fù)合式柔性觸覺傳感器的壓力與溫度的檢測。黃英等分析了測量炭黑/硅橡膠導(dǎo)電復(fù)合材料壓阻特性時電極位置對實驗數(shù)據(jù)的影響。試驗發(fā)現(xiàn),電極外貼于導(dǎo)電橡膠表面的傳感器結(jié)構(gòu)可獲得較高的力靈敏度。其團隊對柔性觸覺傳感器用炭黑填充硅橡膠復(fù)合材料進行了較深入研究。國內(nèi)的吳菊英、萬影等也都對橡膠/炭黑復(fù)合材料進行了壓敏性的研究。在導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料領(lǐng)域,對炭黑填充的復(fù)合材料研究較多,而對碳纖維填充導(dǎo)電復(fù)合材料的敏感性研究還較少。
現(xiàn)有研究以硅橡膠為基體、碳纖維及炭黑作為導(dǎo)電填料制作了兩種導(dǎo)電橡膠復(fù)合材料,分別對其進行了單次與循環(huán)壓縮試驗,重點對其壓縮敏感性和可重復(fù)性進行了對比分析。
橡膠絕緣體中充填導(dǎo)電纖維或炭黑均可獲得優(yōu)良的導(dǎo)電性,并均具有較好的壓縮敏感性,特別是碳纖維填充時基本具有線性的壓阻特性。纖維充填的復(fù)合材料的靈敏度要高得多,而炭黑硅橡膠復(fù)合材料的可重復(fù)性要強得多。纖維之間的電子隧道躍遷傳遞及相對炭黑粒子之間較少的“節(jié)點”數(shù)是其靈敏度較高的主因;纖維與橡膠之間的彈模差距巨大造成了較差的可重復(fù)性。使用橡膠、導(dǎo)電碳纖維或炭黑復(fù)合成導(dǎo)電敏感材料,具有加工簡單、成本低及形狀任意的優(yōu)點,具有巨大開發(fā)潛力。(欣然)