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
【技术领域】
[0001] 本发明属于柔性传感器领域，尤其设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】
[0002] 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，而且要有优秀的柔初性能。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W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W传统型的金属式或半导体式电阻应变传感器在运些领域的 应用就受到了限制，不能满足当前科技发展的要求。因此，开发一种新的柔初性优良的应变 型传感器W满足新的领域对传感器柔初性的要求成为当前技术及应用发展的迫切要求。
【发明内容】
[0003] 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;且的问题。
[0004] 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。
[0005] 本发明是运样实现的，一种用于柔性传感器的导电橡胶材料，其特征在于，包括如 下重量份数的下列组分： 珪橡胶基体 100份； 导电填料 5-1Q0份；
[0006] 改性白炭黑 5-30份； 偶联剂 0.1-10份；
[0007]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、经电子束或丫射线福 射交联制成。
[000引相应地，一种用于柔性传感器的导电橡胶材料的制造方法，包括W下步骤：
[0009] 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；
[0010] 将各组分进行混炼处理，得到混炼胶；
[0011] 将所述混炼胶进行成型处理；
[0012] 采用电子束或丫射线福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。
[0013] W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。
[0014] 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射线福射交联制成，相对于采用硫横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W及导电橡胶电阻分布窄的优点。
[0015] 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W产生100% W上的拉伸形变，在压力作用下可W产生 50% W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W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W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2.ΟΧΙΟ3-!.ΟΧΙΟ^Ω. 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。
[0016] 本发明所述导电橡胶材料的制备方法，采用电子束或丫射线福射进行交联，可W 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W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W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。
[0017] 本发明提供的应变型传感器，包括同时具有应变-电阻效应和应变-电容效应的敏 感单元W及设置在所述敏感单元两端的金属电极。通过检测所述应变型传感器在被拉伸或 被压缩时电阻值或电容值的变化，或者将电阻值转换成电压或电流值，能够在生物力学、康 复医疗、智能穿戴W及人工智能等领域进行力的测量，具有广泛的应用前景。此外，所述应 变型传感器结构简单，制造成本低，容易安装，方便使用。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明实施例1提供的电容/电阻-拉伸形变曲线图；
[0019]图視本发明实施例2提供的电容/电阻-拉伸形变曲线图；
[0020] 图3是本发明实施例3提供的电容/电阻-拉伸形变曲线图；
[0021] 图4是本发明实施例4提供的电容/电阻-拉伸形变曲线图；
[0022] 图5是本发明实施例5提供的电容/电阻-拉伸形变曲线图；
[0023] 图6是本发明实施例6提供的电容/电阻-压缩形变曲线图；
[0024] 图7是本发明实施例7提供的电容/电阻-压缩形变曲线图；
[0025] 图8是本发明实施例8提供的电容/电阻-压缩形变曲线图。
【具体实施方式】
[0026] 为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，W下结合 实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释 本发明，并不用于限定本发明。
[0027] 本发明实施例提供了一种用于柔性传感器的导电橡胶材料，其特征在于，包括如 下重量份数的下列组分： 娃橡胶基体 100餘; 导电填料 5-100份；
[002引 改性白炭黑 5-30份； 偶联剂 0.1-10份；
[0029] 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、经电子束或丫射线福 射交联制成。
[0030] 本发明实施例中，所述导电填料在所述娃橡胶基体中通过微观的相互接触形成导 电通路，当材料受到外力作用时，材料内部相邻导电粒子的间距发生变化，导致依靠所述导 电填料的接触而形成的导电通路发生变化，引起宏观上材料的电阻发生变化。由于本发明 实施例所述导电橡胶材料具有运一优势，因此，能够作为一种应力应变传感材料。
[0031] 具体的，本发明实施例中，所述娃橡胶基体具有优异的柔性和弹性，赋予所述导电 橡胶材料优良的柔性和弹性，W及较大的力学量变化幅度，能够克服金属式或半导体式应 变传感器在柔初性和弹性方面的不足。
[0032] 作为优选实施例，所述娃橡胶基体包括娃原子和氧原子交替(-Si-0-Si-)构成的 分子主链结构，其侧链可主要包括烷基、苯基、乙締基等基团。所述娃橡胶基体中Si-0键的 键能为370kJ/mol，比其他合成橡胶中的C-C键的键能(240kJ/mol)大得多，故娃橡胶具有更 高的热稳定性。同时，所述娃橡胶基体具有卓越的耐高低溫性(溫度使用范围可达到-73- 26(TC )、优异的耐臭氧性与耐候性等。此外，所述娃橡胶基体中分子主链Si-0键是各类聚合 物分子链中最具旋转能力的键，因而使得娃橡胶具有非常优良的柔顺性能。因此，本发明实 施例W娃橡胶作为橡胶基体，既可W获得良好的耐热性和耐老化性，又可W获得优异的柔 顺性和弹性。具体的，所述娃橡胶基体包括室溫硫化娃橡胶和高溫硫化娃橡胶，本发明实施 例优选高溫硫化型娃橡胶。进一步的，所述高溫硫化型娃橡胶优选二甲基娃橡胶、甲基乙締 基娃橡胶、甲基乙締基苯