[发明专利]一种用于柔性传感器的导电橡胶材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于柔性传感器领域，尤其涉及一种用于柔性传感器的导电橡胶材料及其制备方法和应用。

背景技术

应变型传感器是一种能将机械形变信息转换成电阻或电容等电信号输出的一种装置。1885年英国物理学家开尔文发现金属在承受压力(拉力或扭力)后产生机械形变的同时，电阻值也发生特征性的变异，称为应变-电阻效应。受此启发，人们从电阻值的变化量得出材料受力的特征和量值，从而制造出所谓的应变传感器，主要包括压力应变传感器和拉力应变传感器。目前，金属、金属合金及具有压阻效应的半导体材料成为应变型传感器敏感单元的主要敏感材料，得到了非常广泛的应用。随着科技的快速发展，生物医学检测、康复医疗、智能机器人、可穿戴设备等领域复杂结构的力学测量，不但要求传感器要具备良好的应变-电阻特性，而且要有优秀的柔韧性能。由于金属、金属合金及半导体材料本身弹性模量的限制，金属式或半导体式电阻应变传感器存在以下缺点：柔性差、力学量变化幅度较小、结构复杂，制造成本高。所以传统型的金属式或半导体式电阻应变传感器在这些领域的应用就受到了限制，不能满足当前科技发展的要求。因此，开发一种新的柔韧性优良的应变型传感器以满足新的领域对传感器柔韧性的要求成为当前技术及应用发展的迫切要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于柔性传感器的导电橡胶材料，旨在解决现有金属型、金属合金型或半导体型应变传感器柔性差、结构复杂的问题。

本发明的另一目的在于提供一种用于柔性传感器的导电橡胶材料的制备方法。

本发明是这样实现的，一种用于柔性传感器的导电橡胶材料，包括如下重量份数的下列组分：

橡胶基体100份；

导电填料5-200份；

且所述导电橡胶材料通过将导电性填料分散在橡胶材料中、经电子束或γ射线辐射交联制成。

相应地，一种用于柔性传感器的导电橡胶材料的制造方法，包括以下步骤：

按照上述用于柔性传感器的导电橡胶材料的配方称取各组分；

将各组分进行混炼处理，得到混炼胶；

将所述混炼胶进行成型处理；

采用电子束或γ射线辐射的方法对经过成型处理的样品进行交联，得到具有应变-电阻效应的导电橡胶。

以及，一种应变型传感器，包括敏感单元和设置在所述敏感单元两端的金属电极，所述敏感单元由上述用于柔性传感器的导电橡胶材料制成。

本发明提供的用于柔性传感器的导电橡胶材料，由导电性填料分散在橡胶材料中经电子束或者γ射线辐射交联制成，相对于采用硫磺或有机过氧化物作交联剂的化学交联法，具有生产效率高、环境污染小、交联密度容易控制以及导电橡胶电阻分布窄的优点。

所述导电橡胶材料具有良好的柔性和弹性，能够产生较高的机械形变量。具体的，所述导电橡胶材料在拉力作用下可以产生100％以上的拉伸形变，在压力作用下可以产生50％以上的压缩形变。进一步的，本发明所述导电橡胶材料在外力作用下产生形变的同时，其电阻值和电容均发生变化，即能够同时产生应变-电阻效应和应变-电容效应，且应变-电阻效应和应变-电容效应趋势相反。更具体的，本发明所述导电橡胶材料在拉力或压力作用下其电阻随着拉伸形变增加不断下降，呈现负电阻-应变效应，如当传感器的形变量为30％时其电阻值产生至少5倍的变化，其变化甚至可高达100倍以上；所述导电橡胶材料拉力或压力作用下其电容值随着形变增加不断增加，呈现正电容-应变效应，如当传感器的形变量为30％时其电容值产生至少10倍的变化，其变化甚至可高达500倍以上。且本发明所述导电橡胶材料具有良好的信号灵敏性和稳定性，其电阻率介于5.0×10²-1.0×10¹⁰Ω.cm之间，特别适用于作为应变性传感器(如拉力和压力应变型传感器)的敏感单元材料。

本发明所述导电橡胶材料的制备方法，采用电子束或γ射线辐射进行交联，可以通过控制吸收剂量随意的调控橡胶的交联度，且电子束或γ射线可以穿透橡胶胶层，使得橡胶整体交联度一致均匀；所述橡胶导电材料用作传感器敏感单元材料时，可以实现应变型传感器的电阻值的分布的一致性，特别是电阻电容等电信号在外力作用下的变化的灵敏性、稳定性、回复性等性能。此外，本发明方法简单可控，易于实现产业化。