柔性压磁复合材料及其制备方法

专利名称：：柔性压磁复合材料及其制备方法
技术领域：
：本发明涉及一种柔性压磁复合材料及制备方法。该柔性压磁复合材料以非晶和/或纳米晶的软磁粉体材料及柔性高分子聚合物材料为基本成分，可用于力传感器敏感元的制备。
背景技术：
：在大型装备系统及尖端科技领域常需对壳体组件、管道组件等曲面异型结构组件间的连接、撞击过程中所承受的诸多接触力学进行系统研究，使曲面异型结构组件间的接触应力检测成为力传感器领域的一个热门课题。基于材料压阻效应的硅应力传感器、铜锰合金应力传感器和石墨应力传感器等可满足金属曲面异型结构组件间的接触力学研究要求，但要对聚合物及其复合材料等较低压縮模量组件间的接触力学进行研究，则需选用压缩模量与之匹配、柔韧力学性能优良的薄型柔性力传感器。欧美日等基于导电纳米炭/橡胶复合材料的压阻效应，己成功研制出市售产品，尽管其测试精度与工程应用还有较大差距，但仍限制对我国出口。国内对炭黑/橡胶力敏材料进行了大量研究，因局限于难以较大幅度改善橡胶材料的蠕变性能，复合材料的应力一阻抗重复稳定性远未达到应用要求。国内外对铁基磁粉填充环氧树脂和橡胶制备磁粉芯材料及磁性橡胶等进行了研究，但对软磁粉橡胶压磁复合材料方面报道较少。在公开号为CN1966550A的中国专利文献公开了一种用粒度为320目的Fe735CU|Nb3Sil3.5B9及Fe78Si9B13两种非晶粉与液体硅橡胶复合制备力敏压磁薄膜的方法。由于液体硅橡胶弹性及力学性能较差，且在磁粉与液体橡胶复合过程中导入的大量气泡难于排除，加之因未对超细粉体进行有效表面改性和强力机械分散，使团聚非常严重的超细磁粉不能在液体橡胶中有效均匀分散，磁粉与橡胶间的相互作用力较小，这些因素皆不能保证压磁复合材料薄膜具有较好的组成/结构均匀性和压磁性能稳定性，故其作为诸如开/关型电器按键、磁热元件及磁性密封件等磁性橡胶功能材料有广泛应用前景。该专利采用单一的原料组成和简单的复合技术制得的压磁材料,不能达到力学参数定量测试用计量材料——力传感器敏感元材料的使用性能要求。
发明内容针对上述情况，本发明将提供一种能具有显著应力敏感特性的柔性压磁复合材料，并还将进一歩提供该复合材料的制备方法。根据需要，该复合材料可被进一歩制备成相应的力传感器敏感元件、开/关型电器按键、磁热元件及磁性密封件等器件。本发明的柔性压磁复合材料，由包括粒径为0.1pm20(^m的非晶和/或纳米晶的软磁粉体材料、柔性高分子聚合物和辅助添加成分等组分共同组成。各成分的质量份组成为柔性高分子聚合物100,软磁粉体材料7Cf250，偶联剂520,防老化助剂13，直径(0.05250)nm的全硫化橡胶微球020,增强材料015，敏化剂010,硫化剂05，硫化促进剂03。上述所说组分中的软磁粉体材料，可包括Fe-Ni类、Fe-Co类、Fe-Zr类、Fe-Ga类、Fe陽Co-Zr类、Td-Fe-Co类、Cd-Fe墨Co类、Fe-Si-B类、Co-Fe-Si-B类、Fe-Ni-Si陽B类、Fe-Cu-Si-B类、Co-Si-B类、Fe陽Cu-Nb-Si-B类、Fe-Tb-Dy类、Fe-Co-Cr-Mo-Si-B类在内的非晶和/或纳米晶的软磁材料粉体中的至少一种，如Fe-47%wtNi、FeKK)-xCox、Femo^Zrx(Fe90Zrio)、Fei'00-xGax、Tb40Fe60、Fe40Ni38M04Bi8、FewCoigSijB"、Fe70Co8Sii2B|0、(Coo.94Fe0.06)72.5Sii2.5Bi5、(Coo.85Feo.o5Nio.o75Nbo.oi5)o.75SiaiB(U5、Fe50Co5o/Co80B2o、(Fe85Ga!5)(NbC),、Fe78Si9Bl3、Tb0.3Dy0.7FeL95、Fe73.5CmNb3SiB.5B9、FeSiB/Cu/FeSiB等(未另行注明时软磁材料中各组分组成均为其原子数百分比，以下词)非晶/纳米晶软磁材料粉体作磁性功能材料。所说的柔性高分子聚合物可以为橡胶类材料、或是包括热塑p塑料及热塑性弹性体材料等在内的等非橡胶类材料中的至少一种。所说的橡胶类材料,可包括天然橡胶(如乳胶或烟片胶等)、顺式-l,4-聚异戊橡胶、顺丁橡胶、丁腈橡胶、丁基橡胶(氯丁橡胶、溴化丁基橡胶)、丁苯橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶、硅橡胶(如硅橡胶为加成型和縮合型液体硅橡胶，以及高温硫化乙烯基硅橡胶、甲基一苯基一乙烯基硅橡胶等)、氟橡胶、聚硫橡胶、聚醚橡胶、聚氨酯橡胶等橡胶类材料；所说的非橡胶类材料中的热塑性塑料，可包括如聚乙烯、聚丙烯等柔性的聚烯烃类材料；所说的热塑性弹性体材料，可包括如聚烯烃类材料(如聚丙烯PP与天然橡胶NR、乙丙橡胶EPDM通过机械共混得到的产物、TPV-PP/NR、TPV-PP/EPDM)、苯乙烯/TPE类材料(如苯乙烯与1，3—丁二烯阴离子聚合产物SBS等)、聚氯乙烯类材料(如聚氯乙烯PVC与丁腈橡胶NBR的机械共混产物TPVC等)、乙烯共聚物类(如结晶聚乙烯PE与丙烯酸乙酯嵌段共聚的产物TPE等)材料。上述组成中所说的偶联剂，可包括下列偶联剂中的至少一种包括乙烯基三乙氧基硅垸(A-151)、乙烯基三甲氧基硅垸(A-171)、Y-氨丙基三乙氧基硅烷、？(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH560)、Y-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)、Y-巯丙基三甲氧基硅烷(KH580)、N-(P-氨乙基)卞氨丙基甲基二甲氧基硅烷(KH602)、N-(P-氨乙基)卞氨丙基三甲氧基硅垸(KH792)、苯胺甲基三乙氧基硅垸(Sj-42)在内的硅烷类偶联剂，包括单垸氧基钛酸酯偶联剂(YDH-lOl)、单烷氧基磷酸酯钛酸酯偶联剂(YDH-102)、单烷氧基不饱和脂肪酸钛酸酯(YDH-105)、单垸基脂肪钛酸酯偶联剂(YDH-109)、焦磷酸酯钛酸酯(YDH-201)、单垸氧基钛酸酯偶联剂(YDH-TTS)等在内的钛酸酯类偶联剂，包括稀土铝酸酯偶联剂(如江西宏远化工公司产品)、DL-414乙烯铝酸酯等在内的铝酸酯类偶联剂等。将上述偶联剂作为软磁粉体材料的表面改性剂，有利于借助力化学效应使其与磁性颗粒的新鲜断面发生偶联反应，有效改善软磁粉在柔性高分子聚合物基体材料中的分散性均匀性和磁粉/高分子聚合^J间的界面结合力。试验显示，由于在上述组分中，除硅橡胶外的其它柔性高分子聚合物成分的耐老化性能一般均不够理想，因此使用适当的防老化助剂可有利于改善压磁复合材料的抗老化性能。所说的防老化助剂一般可以在目前已有报道和/或使用的材料中选择，如乙醛与a萘胺縮合物(防老剂AH或AP)等醛—胺类成分，或如6-乙氧基-2，4-三甲基-l，2-氢化喹啉(防老剂AW)等酮一胺类成分，如苯基萘胺-N-苯基-a萘胺(防老剂D)、N-苯基-NC异丙基对苯二胺(防老剂4010NA)等芳基仲胺类成分，如对二氨基二苯甲烷(防老剂DED)等芳香二伯胺类成分，如2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(防老剂246)、2,力亚甲基双(4-甲基-6-叔丁苯酚)(防老剂2246)等取代酚类成分中的至少4一种防老剂；或可再与水杨酸酯类(如水杨酸苯酯、水杨酸对叔丁基苯酯等)、邻羟基二苯甲酮类(如2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮、2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮等)成分中的至少一种光稳定剂共同组成。当上述组分中所用的柔性高分子聚合物成分为橡胶类、或是含有橡胶类成分时，通常情况下需配合使用适当的硫化剂。所用的硫化剂，一般可以有辐射硫化体系、硫磺硫化体系、有机过氧化物硫化体系、硫磺-有机过氧化物复合的平衡硫化体系中的至少一种。此外，还可以同时使用由适当的硫化促进剂与硫化剂匹配共同组成的硫化体系。如，硫磺硫化体系可选用氧化锌、氧化镁、硬酯酸等活性剂与秋兰姆类(如二硫化四甲基秋兰母(TMTD)、四硫化双五亚甲基秋兰母(DPTT)等)、噻唑类(如2-(-4-吗啡啉二硫代)苯并噻唑(MDTB)、二硫化巯基二苯并噻唑(MTBS)等)、次磺酰胺类(如Si69、促进剂CZ、促进剂NS等)、胍类(如二苯胍一促进剂D、二邻甲苯胍(DOTG)等)、吗啡啉类(如一硫化吗啡啉(NOBS)、二硫化吗啡啉(MDB))等中的至少一种，与氧化镁或氧化锌等无机活性剂中的至少一种，以及硬脂酸这三类成分共同组成，一般情况下其可按质量份(23):(3~5):1的比例组合。此外，还可选择性使用N-亚硝基二苯胺、N—亚硝基三甲基二氢喹啉等自由基捕捉剂作为防焦剂，改善成型加工性能。上述组成中所说的增强材料，包括纳米A!203、纳米欠氧化硅(Si02—x)及笼形倍半硅氧烷(POSS),或橡胶弹性、硬度改性剂的至少一种。所说的橡胶弹性、硬度改性剂可以为全硫化橡胶微球、粉末橡胶及橡胶增塑剂中的至少一种，可作为本发明复合材料的压縮模量及弹性调节剂。本发明上述柔性压磁复合材料的制备方法，包括以下步骤a)将所说用量的至少一种柔性高分子聚合物，特别是同时使用两种以上柔性高分子聚合物的复合材料时，可通过密炼机、开炼机或挤出机等混炼设备进行混炼，得到充分均匀分散混合的胶料A，再与所说用量和粒径(0.1nm200pm)的非晶和/或纳米晶的软磁粉体材料、以及除硫化促进剂和硫化剂之外的各种辅助添加成分，在室温140'C条件下，经混炼设备充分共混得到胶料B;b)将胶料B密封贮存一定时间(例如一般情况下，可密封je存l7天)后，至少返炼l次(例如可每隔13天返炼一次，通常返炼次数为210次即可)。当所用的柔性高分子聚合物中含有橡胶成分时，在此返炼过程中，即可加入所说用量的硫化促进剂及硫化剂，经热压硫化成型得到所说的柔性压磁复合材料，并可将该复合材料制成所希望形式的型材，如可经平板热压机热压成型得到相应的复合材料薄膜或其它形式的型材，及相应传感器的敏感元件。除上述的制备方式外，本发明的柔性压磁复合材料还可以^用另一种包括以下步骤的方法制备得到a)将所说用量的至少一种柔性高分子聚合物，与有机溶剂混合，在室温或加热(一般可控制为低于所选溶剂沸点15'C之下)，经超声波或机械搅拌方式(如使用常用的搅拌机或高速分散机等设备)，分散溶解得到聚合物溶胶(溶解时间一般可为6小时7天)。所说的有机溶剂可包括脂肪烃类(如正己烷、环己垸、庚烷、三氯甲烷、溶剂汽油等)、芳香及杂环类(如苯、氯化苯、甲苯、二甲苯、四氢呋喃等)、醇类(如乙醇、正丁醇等)、醚类(如乙醚等)、酮类(如甲乙酮、丙酮、丁酮等)、酯类(如醋酸乙酯、醋酸丁酯、醋酸戊酯等)，以及四氯化碳中的至少一种；b)将所说用量和粒径(0.1pm20(Him)的非晶和/或纳米晶的软磁粉体材料加入到上歩的聚合物溶胶中，使其充分均匀分散于聚合物溶胶中(例如可采用超声分散、高速乳化分散及磁力搅拌等常用分散设备和/或方法)。然后蒸发溶剂，使磁粉-聚合物溶胶产生凝胶，得到软磁粉均匀分散在聚合物中的胶料A。将该母料在真空(例如10^Pa下)和不高于15(TC的加热条件下干燥脱除溶剂。为有利于溶剂充分脱除，可将该母料用丌放式炼胶机等设备先压成厚度为数百微米的薄片，再进行真空加热干燥；c)将上歩脱除溶剂后的胶料A按上述同样方式，在室温14(TC温度下混炼，得到软磁粉在柔性高分子聚合物中被良好分散的胶料B;d)按上述同样的制备方式，将胶料B密封贮存至少1天后，至少返炼l次，所用的柔性高分子聚合物中含有橡胶成分时，在返炼过程中加入所说用量的硫化剂及硫化助剂，得到所说的柔性压磁复合材料，并可制成所希望形式的型材，及相应传感器的敏感元件。选择如聚烯烃、柔性热塑性/热固性塑料等非橡胶类柔性高分子聚合物材料作为复合材料基体时，制备过程中除不需添加硫化促进剂及硫化剂外，其余方法与上述过程相同。例如，在制备软磁粉/聚烯烃复合材料，在混炼过程中还可添加适量的丙烯酸酯类、二甘醇二甲基丙烯酸酯、异氰酸三烯丙酯等辐射硫化交联敏化剂；在完成热压成型后还可再进行辐射交联，可以进一步提高软磁粉在高分子聚合物基体材料中的稳定性，并改善压磁复合材料薄膜的力学性能。在采用上述方法制备本发明的柔性压磁复合材料前，为进一步提高产品质量，对所选用的柔性高分子聚合物材料可进行适当的预处理，可包括如去除胶料中的杂质及色泽较深部分等，以提高所用材料的质量。上述制备方法中所说的粒径为0.1pm20(^m的非晶和/或纳米晶的软磁粉体材料，除可以采用目前已有报道和/或使用的各种方法得到外，也可以釆用下述方式得到i)将相应的软磁材料薄带或粉体在惰性气体(如氮气、氩气等)保护下，于150'C60(rC进行热处理，以消除材料中的残余应力并使材料晶化、脆化，得到粒径大于40目的非晶/纳米晶软磁材料粉体；ii)在有机溶剂中(如正己烷等脂肪烃类溶剂，或甲苯等芳香烃类溶剂，或丙酮、乙醇等常用有机溶剂)，将所说的硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中至少一种作表面改性剂，与上步得到的软磁材料粉体在惰性气体保护下，用行星式球磨机等研磨设备充分研磨后(例如可研磨0.5小时48小时)，可采用沉降分级技术将软磁材料粉体按所需粒度分级收集为粒度不同的若干级份，最后分别用沸点低于85"C的易挥发惰性溶剂(如JF己烷、石油醚、丙酮等)清洗，并于真空(如10—^a)和不高于150'C(如60°C150°C)条件下干燥(例如干燥324小时)，密封包装备用。本发明上述复合材料可根据需求制备成不同厚度的薄膜、片状或其它所需要形状的产品形式，以满足不同的使用要求。并可采用常规的力传感器敏感元器件制备及封装技术，或者应用微机电技术一MEMS技术，在压磁材料上制作敏感元阵列、电极及电路引线等，制备成相应的力传感器敏感元芯片，进一步与阻抗分析仪组合，即可对各种高低模量组件间的接触应力进行实时检测，分析处理。试验结果显示，本发明上述的柔性压磁复合材料能具有显著的应力敏感特性，其所受压应力大小可通过磁阻抗数据定量对应给出，并能有效克服目前聚合物基体材料蠕变所带来的应力-阻抗数据重现性差的缺陷，具有较好的压磁性能重复性。在常温常湿下贮存后，本发明的复合材料压磁性能也未发生明显变化，即该复合材料不存在明显的贮存稳定性问题。以下结合附图和实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。图1是本发明的Fe73.5QnNb3Sh3.5B9非晶粉/硅橡胶复合材料薄膜的一种应力一阻抗性能曲线(非晶粉粒径为45pm)。图2是本发明厚度为200(im的Fe73.5Cu,Nb3Siu.5B9纳米晶粉/NR-NdBR复合压磁材料薄膜的一种应力一阻抗性能曲线。图3是本发明的150^im厚(Co,Feao6)72.5Si,2.5B,5非晶粉/顺式-l,4-聚异戊橡胶复合材料的一种应力一阻抗性能曲线。'图4是本发明的Fe4oNi38Mo4B,8非晶粉/聚乙烯压磁复合材料的应力一阻抗性能曲线。图5是本发明的(Fe85Ga15)(NbC),/丁腈橡胶(NBR)复合材料的应力一阻抗性能曲线。图6是本发明的一种厚度约125)am的Fe9oZno纳米晶粉/NR-ENR-SiR复合材料的应力一阻抗性能曲线。图7是本发明的一种厚度500nm的(COo.85Feo.05Nio.075Nbo.o,5)o.75Si(uB(H5非晶粉/NR-BIIR-EPDM复合材料的应力一阻抗性能曲线。图8是Fe73.5CmNb3Sin.5B9非晶粉/硅橡胶柔性力传感器敏感元在加、卸载荷速率50N/s测试条件下，同时采集其32X32阵列(1024个敏感元)中的10个敏感元的压应力一阻抗性能数据得到的压磁性能曲线。图9是一种柔性压磁复合材料力传感器敏感元的结构示意图。图IO—种柔性力传感器的结构示意图。图U是非晶薄带/硅橡胶力传感器敏感元在加、卸载荷速率50N/s测试条件下，同时采集其4个敏感元的压应力一阻抗性能数据得到的压磁性能曲线。具体实施例方式实施例l超细软磁粉体材料的制备及其表面改性处理。将各种具有良好压磁性能的软磁材料薄带产品剪裁为数百毫米的短带，置于氩气、氮气等惰性气体气氛保护下的高温炉内、经150'C60(TC热处理0.1h5h,破碎得到毫米级片材，再置于盛有正己垸等低沸点烷烃、甲苯等芳香烃，以及丙酮、乙醇等任一种有机溶剂、为磁粉质量0.2。/。P/。的配位型亚磷酸酯偶联剂KR-41B(美国Kenrich石油化学公司产)的陶瓷研磨罐中，用行星磨或搅拌磨等设备研磨0.5h48h，制成粒径为50nm20(^m的软磁粉末浆料，釆用沉降分级等技术将浆料分级，分别得到含有粒径为小于100nm、100腿5拜、5,45,、45,75,、75(im100,及100,以上各种粒径级份的软磁材料浆料。最后用正己烷、甲苯、丙酮、汽油及石油醚等任一种溶剂清洗，经10—2Pa和60。C15(TC真空干燥6h48h进行脱溶剂处理。实施例2制备Fe73.5CmNb3Sin.5B9非晶粉膽橡胶压磁复合材料。按表1配方量称取三元有规共聚硅橡胶，在室温或加入条件下，在超声波辅助分散下，溶于10倍质量份的正己垸溶剂中，经2d7d溶解得到硅橡fe—正己烷溶胶B,。称取配方量的Fe73.5Cu,Nb3Sin.5B9非晶粉加入到溶胶B,中，经超声波分散lh及磁力搅拌2h，将非晶粉均匀分散在硅橡胶一正己烷溶胶B,，得到溶胶B2中。利用旋转蒸发仪使溶胶B2快速凝胶得到Fe73.5CUlNb3Si13.5B9非晶粉/硅橡胶凝胶B3，凝胶B3在通风橱内放置24h7d后，用幵放式炼胶机压成厚度为数百微米的薄片，薄片经10—2Pa、150'C下真空干燥12h48h进行脱挥份处理，得到母胶B。将母胶B置于密炼机中密炼3min，加入全部羟基硅油、六甲基二硅氮垸、焦磷酸酯钛酸酯偶联剂和高乙烯基硅油后，密炼5min出胶，在双辊炼胶机上薄通6次后得胶片C。将胶片C用塑胶袋密封，置于热空气循环烘箱中，分别在5(TC及8(TC热处理条件处理6h，以提高各种助剂在橡胶中的扩散速率并加速助剂与粉体间的化学反应。解开包装薄膜后将混炼胶继续在120°C、10—2Pa真空条件下处理24h，去除未反应的低分子物质，最后再置于双辊炼胶机上返炼，当温度降至常温后，加入双2,5硫化剂(2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)己垸)，开炼3min，薄通并打六次三角包，辊距放宽至2mm，打巻5次后出片用密封袋密封放置7d后，再次返炼，并用模具在平板硫化机上于17rC、15MPa条件下预硫化45min，制得125xl25x(0.11.0)mm的压磁复合材料薄膜。薄膜在敞开环境中放置48h后，于热空气循环烘箱20(TC处理6h，放置24h后进行压磁性能测试，结果如图l所示。按照同样方法制备含(plOOnm、(p5pm及(plOO)im等系列粒度Fe73.5CUlNb3Si13.5B9非晶粉的硅橡胶压磁复合材料薄膜。图1是粒径为45pm的Fe73.5CiMNb3Si!3.5B9非晶粉/硅橡胶复合材料薄膜在10N/s力口/卸载荷速率、03MPa压力范围内连续测试三遍得到的压磁复合材料应力一阻抗性能曲线。由图可知，Fe73.5Ql,Nb3Si,3.5B9非晶粉/硅橡胶复合材料具有低敏感阈值、优良的压磁敏感性和应力一阻抗重复性等优异使用性能(最低压应力对应的阻抗值为敏感阈值低、曲线斜率大小对应薄膜压磁敏感性优劣，几次连续试验应力一阻抗曲线的重复性反映薄膜压磁稳定性优劣。以下同)。表1Fe73.5Cu,Nb3Si,3.5B9非晶粉/硅橡胶复合材料配方<table><table>实施例3制备Fe73.5Cu,Nb3Si,3.5B9纳米晶粉/NR—NdBR复合压磁材料。按表2配方将天然橡胶(NR)、稀土钕顺丁橡胶(NdBR)置于密炼机中密炼3min，先加入1/2的粒径为5pm的Fe73.sCu,Nb3Si,3.5B9纳米晶粉，密炼3min后，加入1/4纳米晶粉、加入除硫化促进剂和硫磺之外的全部助剂密炼3min后，再加入剩余l/4纳米晶粉密炼5min出胶，在双辊炼胶机上薄通6次后下片。将下片的混炼胶用塑胶袋密封C存2d7d后，每隔两天于开炼机上返炼5min，薄通3次。在第五次返炼时加入硫化促进剂，混炼5min、薄通3遍，将混炼胶温度降至常温，再加入硫磺，混炼3min，薄通3遍后用模具在平板硫化机上于M3。C、15MPa条件下硫化60min，制得125xl25x(0.12.0)(mm)的压磁复合材料。压磁性能测试，结果如图2所示。图2为厚度为200nm的薄膜在敞开环境中放置48h后，在10N/s加/卸载荷速率、03MPa压力范围内连续测试三遍得到的压磁复合材料应力一阻抗性能曲线。由图可知，Fe73.5CU|Nb3Si13.5B9纳米晶粉/NR—NdBR复合材料具有低敏感阈值、优良的压磁敏感性和应力一阻抗重复性等性能。表2Fe735CuiNb3Sil35B9纳米晶粉/NR—NdBR复合材料配方<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>实施例4制备(COo.94Feao6)72.5Sh2.5Bi5非晶粉/顺式-l,4-聚异戊橡胶复合材料。按表3配方，将顺式-l,4-聚异戊橡胶、敏化剂(二甘醇二甲基丙烯酸酯、异氰酸三烯丙酯)、钛酸酯偶联剂(美国Kenrich石油化学公司)和防老剂，在密炼机内于75'C下密炼3min，按三等分逐步加入(Coo.94Feo.o6)72.5Si,2.5B!5非晶粉(粒径150腿h加料完毕混炼2min，在反复薄通5遍使之混合均匀，下片密封贮存。贮存2d7d后每隔2天返炼一次，返炼5次后，将混炼胶夹在两层O.lmm厚的聚醋薄膜间，放置于模具内在平板硫化机上，在15MPa和100。C下热压成125xl25x(0.1~5.0乂(m)的薄片，用电子加速器进行辐射硫化(电子束能量为1.00MeV，束流为l.OOmA，辐射剂量为17.5Mrad)，得到(0),￡謹)72.5^12.5;615非晶粉顺式-1,4-聚异戊橡胶压磁复合材料。压磁性能测试，结果如图3所示。图3为150pm厚的该复合材料薄膜在敞开环境中放置48h后，在10N/s加/卸载荷速率、0"3MPa压力范围内连续测试三遍得到的压磁复合材料应力一阻抗性能曲线。由图可知，(C0,FeaQ6)72.5Si12.5B15非晶粉/顺式-l,4-聚异戊橡胶复合材料的敏感阈值、压磁敏感性和应力一阻抗重复性等使用性能皆较优良。表3(COQ.94Feo.06)72.5Si,2.5B,5/顺式-l,4-聚异戊橡胶复合材料配方<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>实施例5制备Fe4QNi38Mo4B18非晶粉/聚乙烯压磁复合材料。称取100g美国道化学公司产线性低密度聚乙烯(LLDPE)于开炼机上进行塑炼，依次加入3gN-((3-氨乙基)个氨丙基三甲氧基硅垸KH792、1.0g防老剂4210、25g超细全硫化粉水丁苯橡胶(粒径500nm),在开炼机上于12(TC下混炼均匀后，再分3次逐步加入150g粒径为lOfmi的Fe4oNi38Mo4B^非晶粉，加料完毕后再塑炼5min,薄通得胶料A，胶料A再经双螺杆挤出机进行捏合。为促使各组分混合均匀，在挤出机机头同时引入超声场和电磁场引起的机械振动力场，变传统的"稳态"塑化挤出为周期性的动态塑化挤出，有效地降低了物料熔体粘度，加之超声波的空化作用，促使了各组分在高粘度的线性低密度聚乙烯(LLDPE)中的充分扩散/分散，得到组成均匀的胶料B。胶料B在开炼机上加入10g敏化剂——丙烯酸丁酯，得到模塑料C。取适量模塑料C于平板硫化机上，于140。C和10MPa下热压5min，得到厚为(50500)^mi的Fe4()Ni38Mo4B18非晶粉/聚乙烯压磁复合材料薄膜，最后经(515)Gey计量的Y辐射得到压磁复合材料薄膜。压磁性能测试，结果如图4所示。图4为薄膜在敞开环境中放置48h后，在10N/s加御载荷速率、03MPa压力范围内连续测试五遍得到的压磁复合材料应力一阻抗性能曲线。由图可知，(Fe4()Ni3SMo4B,8非晶粉/聚乙烯复合材料的敏感阈值和压磁敏感性等皆较优良。实施例6制备(Fe85Gal5)(NbC),/丁腈橡胶(NBR)复合材料。.^称取R本产22(TNBR20g于开炼机上充分混合均匀，将2g铝酸酯偶联剂DL-414(江西宏远化工公司)、0.2g防老剂依次加入到混炼胶中，分4次逐步加入60g粒径为500nm的(Fe85Ga,5)(NbC^磁粉，加料完毕后混炼5min,再薄通5遍使之混合均匀，下片密封贮存备用。称取25g混炼胶，加入lg丙烯酸丁酯，混炼5min后，用模具在平板硫化机上经145。C、15MPa热压15min，得到(Fe8sGat5)(NbC),/NBR薄膜，最后在室温、空气环境中用电子静电加速器进行辐照硫化，辐射剂量为15Mmd，得到厚度为(50500),的压磁复合材料薄膜。压磁性能测试，结果如图5所示。图5为薄膜在敞开环境中放置48h后，在10N/s加/卸载荷速率、03MPa压力范围内连续测试五遍得到的压磁复合材料的应力一阻抗性能曲线。由图可知，(Fe85Ga,5)(NbC),/丁腈橡胶(NBR)复合材料具有低敏感阈值、优良的压磁敏感性能和优异的应力一阻抗重复稳定性能。实施例7制备Fe7sSi9Bn/热塑性弹性体(TPVC)压磁复合材料。按照表4配方，参照实施例5的混炼工艺制得模塑料。模塑料用模具在平板硫化机上经145。C、15MPa热压15min，得到Fe78Si9Bu/热塑性弹性体(TPVC)薄膜，最后在室温、空气环境中用电子静电加速器进行辐照硫化，辐射剂量为15Mrad，得到厚度为(50250)pm的压磁复合材料薄膜。表4(Fe78Si9BB/热塑性弹性体(TPVC)压磁复合材料配方<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>实施例8制备Fe卯Zr,o纳米晶粉/NR-ENR-SiR复合材料。参照实施例2的溶胶一凝胶复合方法，分别按表1(将表1中Fe73.5Cu,Nb3Sil3.5B9非晶粉，替换成中粒径100nm的Fe9oZno纳米晶粉)和按表5(其中的稀土铝酸酯偶联剂由江西宏远公司提供)，将环氧化天然橡胶(ENR)--天然橡胶(NR)、UOJ乙烯基硅橡胶(SiR)分别先炼成母胶A和B,将A和B两种混炼胶按60:40比例置于双辊炼胶机上返炼得到混炼胶C。然后参照实施例3的方法，将混炼胶C在密炼机与除去加入硫化剂和硫化促进剂外的所有助剂，得到混炼胶D。混炼胶D在开放式炼胶机上加入硫化促进剂和硫化剂。薄通并打六次三角包，辊距放宽至2mm，打巻5次后出片，用模具在平板硫化机上于17rC、15Mpa条件下预硫化60min，制得125xl25x(0.050.6)(mm)的压磁复合材料薄膜。压磁性能测试，结果如图6所示。图6为厚度约125,的压磁复合材料薄膜在敞开环境中放置48h后，在10N/s加/卸载荷速率、03MPa压力范围内连续测试五遍得到的压磁复合材料应力一阻抗性能曲线。由图可知，Fe9oZno纳米晶粉/NR-ENR-SiR具有较优异的压磁性能。表5FegoZno/NR-ENR混合料配方<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>实施例9制备(Coo.85Fe,Ni,5Nbao,5)0.75Si0.,B0.,5非晶粉/NR-BIIR-EPDM复合材料。按照表6，采用橡胶密炼机制备混炼胶。密炼机混炼加料顺序为加入天然橡胶(NR)、溴化丁基橡胶(BIIR)、三元乙丙橡胶(EPDM)三种生胶，塑炼3min后，依次加入硬脂酸、中粒径为75pm的(Coa85Fe,Niao75Nb麵5)o.75Sio.,Ba,5非晶粉、钛酸酯偶联剂(美国Kenrich石油化学公司产)、促进剂、氧化锌、防老剂及低密度聚乙烯(PE)，整个密炼时间约25min。密炼机最高排胶温度约为13(TC，硫化剂在开炼机上加入。混炼胶在开炼机上薄通并打六次三角包，辊距放宽至3mm，打巻5次后出片，用模具在平板硫化机上于16(TC、15Mpa条件下预硫化40min，制得125xl25x(0.050.6)(mm)的压磁复合材料薄膜。压磁性能测试，结果如图7所示。图7为厚度500pm的压磁复合材料薄膜在敞开环境中放置48h后，在10N/s加/卸载荷速率、03MPa压力范围内连续重复测试五遍得到的压磁复合材料应力一阻抗性能曲线。由图知，(Coa85Fe,Niao75Nb謹5)o.75Sio.,B(U5非晶粉/NR-BIIR-EPDM复合村料具有较优异的压磁性能。表6(Coo.85Feo.o5Ni謹5Nb謹5)o.75Si(uBai5非晶粉/NR-BIIR-EPDM配方<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>实施例10用非晶或纳米晶粉/柔性聚合物压磁复合材料制备力传感器敏感元阵列芯片。采用实施例2制备的、厚度为100pm的Fe73.5CmNb3Siu.5B9非晶粉/硅橡胶压磁复合材料作力敏材料，用5pm25pm厚的热塑性聚酰亚胺膜热封装制得。首先，在压磁复合材料薄膜一侧采用真空沉积金或采用化学镀方法制备厚度约数微米的金、铜或铝薄膜作为一个公共电极板A;其次，应用微机电加工技术(MEMS)制版、真空沉积金、铜或铝电极，或应用柔性线路制备技术——照相平板印刷工艺，在柔'性压磁复合材料薄膜的另一侧印制尺寸为110mm的圆形或矩形小单元阵列薄膜电极及导电通路布线图案，点阵力敏元件间的距离为(l5)mm;最后将制备好电极及引线的压磁复合材料夹于两张聚酰亚胺薄膜之间，于15(TC下热压聚酰亚胺即完成应力敏感元(Sensorcdl)阵列的封装。由此制作的接触应力传感器力敏元阵列芯片具有制备工艺简单、易于制作大面积传感器敏感元，且其柔性好(可反复揉搓)、敏感阈值低(S1N)、测试精度高、重复稳定性优良、测试范围大(05MPa)及可进行多点测量等诸多优异性能，可应用于平面及曲面异型结构件间的接触应力测量。图8为制作的敏感元在加、卸载荷速率50N/s、同时采集其中IO个敏感元得到的压应力一阻抗曲线。图9为采用此方法制作的32x32阵列敏感元芯片的结构示意图，图中的(b)为(a)的P-P剖视状态。每个测试单元面积为5x5(mm)，芯片厚度小于250pm。图中A、B为输出线路接口，其与lMHz阻抗分析仪的正、负输入接口联接，再配置计算机数采系统即组成一套完整的接触应力实时检测系统，可对待测组件间进行多点接触应力监测。实施例11用Fe73.5Cu,Nb3Sb.5B9非晶带膽橡胶制备柔性力传感器敏感元阵列芯片。一种Fe73.5CmNb3Sin.5B9非晶带/硅橡胶柔性力传感器敏感元如图10所示(其中图(b)为图(a)的一种纵剖状态的结构示意)，可采用下述工艺制得(1)采用5)xm5(^m厚的Fe73.5CU|Nb3Sil35B9非晶带，在氩气保护下经150°C30(TC热处理消除非晶带中的残余应力；(2)Fe73.sCu,Nb3Siu.5B9非晶带正反两面真空沉积约10|im厚的金、铜或铝薄膜电极，或真空沉积约10pm厚的Sn-Pb合金(Sn含量为60Xwt,熔程183。C188");(3)选用厚度5pm25pm厚的热塑性聚酰亚胺膜1作背底衬料，将(2)中得到的非晶带用15(TC19(TC热熔接或用导电粘接剂的方式固定在背底薄膜材料上；(4)应用MEMS等微加工技术将非晶带制成尺寸为(110)mm的圆形或矩形小单元阵列，点阵力敏元件3间的距离为15mm，然后采用焊接、粘接等方法将绝缘保护的直径为数微米的金线固定在点阵的上下表面边缘；并在每个小单元的未粘面上制作电极和导电通路引线4，并经集成输出线路接口5引出；(5)将美国DowComing产184液体硅橡胶A、B组分按1:1配比在聚酯薄膜上混合均匀、快速真空排气后成为硅橡胶覆膜2，用于填平(4)中各压磁点阵元件间的凹槽，覆盖热塑性聚酰亚胺保护薄膜，在35'C5(TC条件下热压24h;(6)最后经修剪、于15(TC下热压完成聚酰亚胺膜的封装，即制得阵列式柔性力传感器敏感元(Sensorcell)芯片阵列。图10为2^i车列式Fe73.5CU|Nb3Si13.5B9非晶带膽橡胶柔性力传感器敏感元芯片的一种结构示意图(为2列2行4个敏感元组成的阵列)。该芯片的输出线路接口5与100MHz阻抗分析仪的正、负输入接口联接，再配置计算机数采系统即组成一套完整的接触应力实时检测系统，可对待测组件间进行多点接触应力监测。图11为其制作的4点阵应力敏感芯片在加、卸载荷速率50N/s下，同时采集其中A、B、C、D4个敏感元得到的压应力一阻抗曲线。比较实施例10和11可知，采用本发明的非晶粉和/或纳米晶粉与柔性聚合物制得的压磁复合材料，易于较低成本地制作大面积的接触应力传感器敏感元阵列芯片，且传感器的敏感阈值小。而由软磁材料薄带制作大尺寸的应力敏感元阵列芯片则相对困难、传感器的敏感阈值大且需配套测试频率相对较高的阻抗分析仪，虽其可特别是适于制作大量程的力传感器敏感元，但较高测试频率在某些工程应用中则是禁止的。权利要求1.柔性压磁复合材料，其特征是包括有粒径为0.1μm～200μm的非晶和/或纳米晶的软磁粉体材料、柔性高分子聚合物和辅助添加成分，各成分的质量份组成为柔性高分子聚合物100，软磁粉体材料70～250，偶联剂5～20，防老化助剂1～3，直径0.05μm～250μm的全硫化橡胶微球0～20，增强材料0～15，敏化剂0～10，硫化剂0～5，硫化促进剂0～3，其中，所说的软磁粉体材料包括Fe-Ni类、Fe-Co类、Fe-Zr类、Fe-Ga类、Fe-Co-Zr类、Td-Fe-Co类、Cd-Fe-Co类、Co-Fe-Si-B类、Co-Si-B类、Fe-Co-Cr-Mo-Si-B类、Fe-Si-B类、Fe-Ni-Si-B类、Fe-Cu-Si-B类、Fe-Cu-Nb-Si-B类、Fe-Tb-Dy类在内的非晶和/或纳米晶的软磁材料粉体中的至少一种；所说的柔性高分子聚合物为橡胶类材料、包括热塑性塑料及热塑性弹性体材料在内的非橡胶类材料中的至少一种。2.如权利要求1所述的柔性压磁复合材料，其特征是所说的橡胶类材料包括天然橡胶、顺式-l,4-聚异戊橡胶、顺丁橡胶、丁基橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚硫橡胶、聚醚橡胶、聚氨酯橡胶中的至少一种；所说的非橡胶类材料中的热塑性塑料，包括聚乙烯、聚丙烯在内的柔性聚烯烃类材料；所说的热塑性弹性体材料，包括聚烯烃类材料、苯乙烯/TPE类材料、聚氯乙烯类材料、乙烯共聚物类材料。3.如权利要求1所述的柔性压磁复合材料，其特征是所说的偶联剂为硅垸偶联剂类、钛酸酯偶联剂类、铝酸酯偶联剂类中的至少一种。4.如权利要求1所述的柔性压磁复合材料，其特征是所说的防老化助剂为醛-胺或酮-胺类成分、芳基仲胺类成分、芳香二伯胺类成分、取代酚类成分中的至少一种，或是其与水杨酸酯类成分、邻羟基二苯甲酮类成分中的至少一种光稳定剂共同组成。5.如权利要求1所述的柔性压磁复合材料，其特征是所说的硫化剂为辐射硫化体系、硫磺硫化体系、有机过氧化物硫化体系、硫磺-有机过氧化物复合的平衡硫化体系中的至少一种。6.如权利要求1所述的柔性压磁复合材料，其特征是所说的硫化促进剂为秋兰姆类、噻唑类、次磺酰胺类、胍类、吗啡啉类成分中的至少一种，与氧化镁或氧化锌中的至少一种，以及硬脂酸三类成分共同组成。7.如权利要求1所述的柔性压磁复合材料，其特征是所说的增强材料为纳米A1203、纳米欠氧化硅、笼形倍半硅氧烷或橡胶弹性、硬度改性剂的至少一种，所说的橡胶弹性、硬度改性剂为全硫化橡胶微球、粉末橡胶及橡胶增塑剂中的至少一种。8.制备权利要求1的柔性压磁复合材料的方法，其特征在于包括以下步骤a)将所说用量的至少一种柔性高分子聚合物充分均匀分散混合的胶料A、与所说用量和粒径的非晶和/或纳米晶的软磁粉体材料、以及除硫化促进剂和硫化剂之外的各种辅助添加成分，在室温14(TC下共混得到胶料B;b)将胶料B密封贮存至少1天后后，至少返炼1次，所用的柔性高分子聚合物中含有橡胶成分时，在返炼过程中加入所说用量的硫化助剂、硫化剂，经热压、硫化成型得到所说的柔性压磁复合材料，并可制成所希望形式的型材。9.制备权利要求1的柔性压磁复合材料的方法，其特征在于包括以下步骤-a)将所说用量的由至少一种柔性高分子聚合物，与有机溶剂混合，在室温或加热条件下，经充分分散溶解得到聚合物溶胶，所说的有机溶剂包括脂肪烃类、芳香及杂环类、醇类、醚类、酮类、酯类、及四氯化碳中的至少一种；b)将所说用量和粒径的非晶和/或纳米晶的软磁粉体材料加入上步的聚合物溶胶中，使其充分均匀分散于聚合物溶胶中，蒸发溶剂后使磁粉-聚合物溶胶产生凝胶，得到软磁粉均匀分散在聚合物中的胶料A，然后使其在真空和低于i5(TC的加热条件下千燥脱除溶剂；c)将上步脱除溶剂后的胶料A在室温14(TC温度下混炼，得到软磁粉在柔性高分子聚合物中被良好分散的胶料B;d)将胶料B密封贮存至少1天后，至少返炼1次，所用的柔性高分子聚合物中含有橡胶成分时，在返炼过程中加入所说量的硫化助剂和硫化剂，得到所说的柔性压磁复合材料，并可制成所希望形式的型材。10.如权利要求8或9所述的方法，其特征是所说的非晶和/或纳米晶的软磁粉体材料由下述方式得到i)将相应的软磁材料薄带或粉体在惰性气体保护下于15(TC60(TC进行热处理，使材料晶化和脆化，得到粒径大于40目的非晶/纳米晶软磁材料粉体；ii)在有机溶剂中，将所说的偶联剂与上歩得到的软磁材料粉体在惰性气体保护下充分研磨，并采用沉降分级技术将软磁材料粉体按所需粒度分级收集后，用沸点低于85t:的易挥发惰性溶剂清洗，并于真空和不高于15(TC条件下干燥备用。全文摘要柔性压磁复合材料及其制备方法。该复合材料包括有粒径为0.1～200μm的非晶和/或纳米晶的软磁粉体材料、柔性高分子聚合物和辅助添加成分。该复合材料制成的具有明显压磁效应的磁性橡胶及接触应力传感器敏感元的相关产品，可用于大型装备、尖端科技等工程
技术领域：
对壳体组件、管道组件等曲面异型结构组件间的连接、撞击过程中所承受的接触应力进行实时检测，真实反映大型、复杂装备系统在装配、贮存、运输及高速运动下的受力情况，进而实现对其装配、贮存、运输及高速运动时系统的使用性能、相关部组件及功能材料的老化和受力情况等进行有效的实时监测；在生物技术、医学、体育、汽车、航空航天及智能机械等工程研究中也具有广泛的应用前景。文档编号C08K3/08GK101100549SQ200710049639公开日2008年1月9日申请日期2007年7月30日优先权日2007年7月30日发明者强付,吴菊英,凯张,朱正吼,军梅,范敬辉,衣志勇,云谭,静郭,马广斌,洋高,琨黄,黄渝鸿申请人:中国工程物理研究院总体工程研究所