[发明专利]基于碳纳米管填充高分子复合材料的柔性压敏元件研制方法

说明书

技术领域

本发明属于传感器技术领域，特别涉及到柔性压力传感器敏感材料制备与封装工艺。

背景技术

为确保航空航天和国防军事等领域的重大设备安全运行、及时获取系统状态信息，需要实时监测层间压力。然而，在工程实践中，很多设备层间间隙小、表面形状复杂。因此，迫切需要一种能够监测层间压力的薄型柔性传感器。

导电高分子复合材料是一种新型功能材料，既具有柔韧性，又具有压阻效应。因此，这种复合材料可作为柔性压力传感器的敏感材料。目前，很多科研机构都在致力于研制基于这种新型材料的柔性力敏传感器。

很多文献报道了用炭黑作为导电相研制的柔性压力传感器。例如，1993年，日本工业产品研究所用银粉填充丁晴橡胶复合材料压力敏感效应，研制了一种柔性触觉传感器，但只能测量有限的几级阈值量。此后，加拿大阿尔伯达大学以导电橡胶作敏感材料研制的柔性触觉传感器，虽能用于分析大面积接触力分布，但不能测量接触力大小。2004年，日本的科研机构(Makoto Shimojo，Akio Namiki，Masatoshi Ishikawa，Ryota Makino，and Kunihiko Mabuchi.A Tactile Sensor Sheet Using Pressure Conductive Rubber With Electrical-Wires Stitched Method.IEEE Sensors Journal，2004；4(5)：589-596)研制了基于导电橡胶的柔性触觉传感器，他们用镀金的金属线缝制在敏感材料的表面作为电极，解决了传统封装方法的缺点，但这种方法操作难度较大，成本较高，敏感单元封装后的总厚度为500微米，不能满足间隙小于200微米时的应力测量要求。2005年，清华大学利用炭黑作为导电相，研制了基于炭黑填充高分子复合材料的柔性压力传感器，但阵列传感器封装的各个敏感点之间仍存在物理连接，存在相互间的干扰。

在导电高分子复合材料中，通常用金属粉末、石墨、导电炭黑、氧化物等作为填料，起着导电相的作用。导电相在高分子基体中，通过隧道效应或接触传导形成导电通道，当导电通道贯穿基体时，形成有效导电通道，为复合材料的导电性做出贡献。当外加压力和形变的作用在复合材料上时，导致有效导电通道发生变化，进而引起复合材料电阻发生变化，可用这个效应，来完成压力测量。

然而，要使复合材料达到一定的导电性，需要导电相达到一定含量。上述导电填料的用量大，不可避免地影响了复合材料的柔韧性。炭黑属于0维纳米结构，炭黑填充高分子复合材料的渗硫阈值较高，碳纳米管属于1维纳米结构，相比于炭黑等0维纳米结构，碳纳米管具有较高的长径比，用其作为导电相所制备而成的碳纳米管填充高分子复合材料具有更低的渗流阈值，在较低含量时就可以极大地提高聚合物的电导率，使聚合物达到导电的要求，因而，可以更好地作为柔性敏感材料。