专利名称：基于石墨烯的柔性触觉传感器压力敏感材料及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种柔性触觉传感器压力敏感材料及制备方法。
背景技术：
目前，用于压力传感器的敏感材料主要是金属、金属氧化物或半导体材料等，这几类材料都不具有柔韧性。多年来人们不断尝试利用不同的原理以及不同的材料，来研制柔性触觉传感器。但是，各类已有的柔性触觉传感器共同存在的问题包括I、在材料的选择上，材料本身不能兼有良好压力传感功能和柔韧性，并且成本闻;
2、在传感器阵列结构的布置上，由于所选择的材料对阵列结构要求高，主要适用于刚性、组合式阵列结构，不能适用于任意设计的触觉传感器阵列，适用范围小；3、在制作工艺上，现有的柔性触觉传感器研究主要是使用MEMS技术和分层制造技术等，制作工艺要求高，成本大。自2004年安德烈 K 海姆(Andre Geim)教授和科斯佳.诺沃谢洛夫(KostyaNovoselov)研究员首次制备出石墨烯(GNPs)以来,石墨烯受到了全世界科学家的广泛关注。毋庸置疑，石墨烯是继纳米碳管、富勒烯球后的又一重大发现。石墨烯是由单层碳原子组成的六方蜂巢状二维结构，纯净的石墨烯是一种只有一个原子厚的结晶体，具有超薄、超坚固和超强导电性能等特性。石墨烯具有比碳纳米管更优异的热性能、力学性能及电学性能，在导电复合材料领域具有很大的应用前景。但目前在柔性触觉传感器压力敏感材料及其制备上未见相关报导。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种兼有良好压力传感功能和柔韧性、适用于任意设计的触觉传感器阵列的基于石墨烯的柔性触觉传感器压力敏感材料及制备方法。本发明基于石墨烯的柔性触觉传感器压力敏感材料的特点是按重量份的原料组成为液态有机硅 100份；石墨烯1-3份；炭黑3-5 份；分散剂10份。本发明基于石墨烯的柔性触觉传感器压力敏感材料的特点也在于所述液态有机硅为单组分室温固化液态硅橡胶RTV⑶40或为双组份聚二甲基硅氧烷 PDMS DC-184。所述石墨烯平均厚度为4-20nm、层数〈30、平均直径为5-10iim、电阻率为4X 10 4 Q cm。
所述炭黑是CB3100型炭黑，平均粒度为30nm、比表面积为1100m2/g、表观密度为0. 128g/cm3、电阻率为 5 X KT3Q cm。所述分散剂是密度为650 750kg/m3的蒸懼石脑油。本发明基于石墨烯的柔性触觉传感器压力敏感材料的制备方法的特点是按如下步骤进行a、在常温、常压下，将石墨烯、炭黑与分散剂超声分散30-40分钟得分散溶液；b、将单组分室温固化液态硅橡胶RTV⑶40添加到步骤a所得的分散溶液中，超声分散25分钟，再进行机械搅拌25分钟得混合溶液；所得混合溶液在室温下固化成型；或为
a、在常温、常压下，将石墨烯、炭黑与分散剂超声分散30-40分钟得分散溶液；b、将双组份聚二甲基硅氧烷PDMS DC-184中的A剂添加到分散溶液中，超声分散或机械搅拌25分钟，得混合液A ；C、向所述混合液A中添加双组份聚二甲基硅氧烷PDMS DC-184中的B剂，经超声分散25分钟再机械搅拌25分钟得混合溶液B ;所得混合溶液B在室温下固化成型。为了有效提高敏感材料在压力传感功能和柔韧性上的兼容性，本发明选用固化成型后柔韧性良好的液态有机硅作为基体材料，通过填料掺杂，在保证该材料触觉传感功能的同时更进一步改善其柔软性。本发明采用液体有机硅成型的方法，可以将敏感材料溶液填充到任意设计的压力传感器结构模型中经固化成型，极为有效地提高了柔性压力传感器传感功能和柔韧性的兼容性，适于任意设计的压力传感器结构。与已有技术相比，本发明有益效果体现在I、本发明采用液态有机硅作为基体材料，固化成型后的有机硅具有很好柔性，保证了压力敏感材料的柔性；2、本发明采用石墨烯、炭黑作为导电填料，由于石墨烯具有很好的二维结构、较大的高宽比和良好的柔韧性，使压力敏感材料具有良好的压力敏感特性的同时具有一定的柔性。加入炭黑，能与石墨烯形成协同作用，使导电粒子间的导电通路更容易形成；3、本发明选用石墨烯、炭黑作为导电填料和有机硅作为基体材料，相比其他碳系材料填充硅橡胶的柔性触觉压力敏感材料，例如基于碳纳米管与炭黑混合的柔性触觉传感器材料和基于炭黑的柔性触觉传感器材料，有效地改善了材料的压力稳定性和量程，如图4、图5。图4所示，三种复合材料的电阻相对变化是随着压力的增大而减小，呈现负压阻效应。但是石墨烯-炭黑/硅橡胶复合材料的的特性曲线在(T55N的压力范围内近似成线性，碳纳米管与炭黑填充硅橡胶和炭黑填充硅橡胶复合材料仅在(T25N的压力范围内线性度较好。如图4，石墨烯和炭黑混合填充硅橡胶的量程范围为(T55N，碳纳米管与炭黑填充硅橡胶和炭黑填充硅橡胶的量程分别为(T40N和(T35N。由此可见，石墨烯相对于相同填充量的炭黑、碳纳米管对以硅橡胶为基体的复合材料的线性度和量程起到一定的改善作用。对得到的压力敏感材料分别在5N、20N的压力下进行稳定性测试分析，结果分别如图5a和图5b所示，在两种压力下，炭黑填充硅橡胶电阻随时间变化的稳定性最差，石墨烯和炭黑混合填充硅橡胶的稳定性曲线几乎是一条与时间轴平行的直线，表现出极好的稳定性。由此可见，石墨烯相对于相同填充量的炭黑、碳纳米管对以硅橡胶为基体的复合材料的稳定性也起到一定的改善作用。
4、本发明采用液体有机硅成型的方法，使本发明材料可以应用于任意设计的压力传感器结构模型中，拓宽了其适用的范围，并且该方法工艺简单，操作方便，同时也降低了柔性压力传感器的成本。
图I为实施例I、2、3的压阻特性曲线；图2为实施例2的SEM图；图3为实施例2的FETEM图；图4为实施例2与相同质量分数、相同工艺下的碳纳米管、炭黑硅橡胶复合材料的 压阻特性曲线；图5a为5N压力下实施例2与相同质量分数、相同工艺下的碳纳米管、炭黑硅橡胶复合材料的稳定性曲线；图5b为20N压力下实施例2与相同质量分数、相同工艺下的碳纳米管、炭黑硅橡胶复合材料的稳定性曲线。
具体实施例方式具体实施中，基于石墨烯的柔性触觉传感器压力敏感材料按重量份的原料组成为液态有机硅100份；石墨烯1-3份；炭黑3-5份；分散剂10份。其中液态有机硅为单组分室温固化液态硅橡胶RTV⑶40或为双组份聚二甲基硅氧烷PDMSDC-184 ;石墨烯平均厚度为4-20nm、层数〈30、平均直径为5_10 y m、电阻率为4X IO^4 Q .cm;炭黑是CB3100型炭黑，平均粒度为30nm、比表面积为1100m2/g、表观密度为0. 128g/cm3、电阻率为5 X KT3Q cm ;分散剂是密度为650 750kg/m3的蒸馏石脑油。具体实施中，基于石墨烯的柔性触觉传感器压力敏感材料的制备方法是按如下步骤进行I、在常温、常压下，将石墨烯、炭黑与分散剂利用FS-150超声波处理仪超声分散30-40分钟，使溶液中无明显颗粒，得分散溶液；2、将单组分室温固化液态硅橡胶RTV⑶40添加到步骤I所得的分散溶液中，利用FS-150超声波处理仪进行超声分散25分钟，然后再利用磁子搅拌机进行机械搅拌25分钟得混合溶液；所得混合溶液在室温下固化成型，成型时间为65小时；或为I、在常温、常压下，将石墨烯、炭黑与分散剂利用FS-150超声波处理仪超声分散30-40分钟，使溶液中无明显颗粒，即得分散溶液；2、将双组份聚二甲基硅氧烷PDMS DC-184中的A剂添加到分散溶液中，利用FS-150超声波处理仪超声分散25分钟，然后再利用磁子搅拌机机械搅拌25分钟，得混合液A ；3、向混合液A中添加双组份聚二甲基硅氧烷PDMS DC-184中的B剂，再经FS-150超声波处理仪超声分散25分钟，然后再利用磁子搅拌机机械搅拌25分钟得混合溶液B ；所得混合溶液B在室温下固化成型，成型时间为65小时。实施例I :
按重量份取单组分室温固化液态硅橡胶RTV⑶401为100份；石墨烯为I份；炭黑为5份，分散剂为10份。其中，石墨烯平均厚度为r20nm，层数〈30，平均直径为5 10 u m,电阻率为4X10_4Q -cm ;炭黑平均粒度为30nm，比表面积为1100m2/g，表观密度为0. 128g/cm3，电阻率为5 X KT3Q cm ;分散剂是密度为650 750kg/m3的蒸馏石脑油。制备过程在常温、常压下，将石墨烯、炭黑与分散剂利用FS-150超声波处理仪超声分散40分钟，使溶液中无明显颗粒，得分散溶液；再将液态硅橡胶RTV GD401添加到该分散溶液中，利用FS-150超声波处理仪进行超声分散25分钟，然后再利用磁子搅拌机进行机械搅拌25分钟得混合溶液；所得混合溶液在室温下固化成型，成型时间为65小时。结论从图I中曲线a可以看出，石墨烯和炭黑填充娃橡胶复合材料电阻值随着压力的增加而减小，并在一定范围内线性度好，灵敏度高。实施例2 按重量份取单组分室温固化液态硅橡胶RTV⑶401为100份；石墨烯为2份；炭黑为4份，分散剂为10份。其中，石墨烯平均厚度为r20nm，层数〈30，平均直径为5 10 y m，电阻率为4X10_4Q -cm ;炭黑平均粒度为30nm，比表面积为1100m2/g，表观密度为0. 128g/cm3，电阻率为5 X KT3Q cm ;分散剂是密度为650 750kg/m3的蒸馏石脑油。制备过程如实施例I。结论从图I中b曲线可以看出，石墨烯和炭黑混合填充硅橡胶复合材料电阻值随着压力的增加而减小，并呈近似线性变化，灵敏度更高；从图2可以看出，石墨烯和炭黑在硅橡胶内部形成一定的导电网络。实施例3 按重量份取单组分室温固化液态硅橡胶RTV⑶401为100份；石墨烯为3份；炭黑为3份，分散剂为10份。其中，石墨烯平均厚度为r20nm，层数〈30，平均直径为5 10 u m,电阻率为4X10_4Q -cm ;炭黑平均粒度为30nm，比表面积为1100m2/g，表观密度为0. 128g/cm3，电阻率为5 X KT3Q cm ;分散剂是密度为650 750kg/m3的蒸馏石脑油。制备过程如实施例I。结论从图I中曲线c可以看出，石墨烯和炭黑混合填充娃橡胶复合材料电阻值随着压力的增加而减小，线性度在一定的范围内很好，灵敏度高。对得到的压力敏感材料进行压力敏感特性测试和扫描电子显微镜分析，压力敏感特性测试的结果如图I所示的特性曲线，扫描电子显微镜分析如图2。由图I可知，随着压力的增加，石墨烯和炭黑混合填充硅橡胶的电阻值，并呈近似线性变化，并且曲线b的线性度好，灵敏度高。由图2可知，石墨烯和炭黑在硅橡胶内部形成一定的导电网络，导电粒子会在这个网络中进行传递。
权利要求
1.基于石墨烯的柔性触觉传感器压力敏感材料，其特征是按重量份的原料组成为 液态有机硅100份； 石墨烯 1-3份； 炭黑 3-5份； 分散剂 10份。
2.根据权利要求I所述的基于石墨烯的柔性触觉传感器压力敏感材料，其特征是所述液态有机硅为单组分室温固化液态硅橡胶RTV⑶40或为双组份聚二甲基硅氧烷PDMSDC-I84。
3.根据权利要求I所述的基于石墨烯的柔性触觉传感器压力敏感材料，其特征是所述石墨烯平均厚度为4-20nm、层数〈30、平均直径为5_10iim、电阻率为4 X 1(T4 Q cm。
4.根据权利要求I所述的基于石墨烯的柔性触觉传感器压力敏感材料，其特征是所述炭黑是CB3100型炭黑，平均粒度为30nm、比表面积为1100m2/g、表观密度为0. 128g/cm3、电阻率为 5 X IO^3Q cm。
5.根据权利要求I所述的基于石墨烯的柔性触觉传感器压力敏感材料，其特征是所述分散剂是密度为650 750kg/m3的蒸馏石脑油。
6.一种权利要求I所述的基于石墨烯的柔性触觉传感器压力敏感材料的制备方法，其特征是按如下步骤进行 a、在常温、常压下，将石墨烯、炭黑与分散剂超声分散30-40分钟得分散溶液； b、将单组分室温固化液态硅橡胶RTVGD40添加到步骤a所得的分散溶液中，超声分散25分钟再机械搅拌25分钟得混合溶液；所得混合溶液在室温下固化成型； 或为 a、在常温、常压下，将石墨烯、炭黑与分散剂超声分散30-40分钟得分散溶液； b、将双组份聚二甲基硅氧烷PDMSDC-184中的A剂添加到分散溶液中，超声分散25分钟再机械搅拌25分钟，得混合液A ； C、向所述混合液A中添加双组份聚二甲基硅氧烷PDMS DC-184中的B剂，经超声分散25分钟再机械搅拌25分钟得混合溶液B ;所得混合溶液B在室温下固化成型。
全文摘要
本发明公开了一种基于石墨烯的柔性触觉传感器用敏感材料及制备方法，其特征是以石墨烯，炭黑和液态有机硅为原料，原料中各成分按质量份配比为液态有机硅100份；石墨烯2份；炭黑4份；分散剂10份。本发明压力敏感材料兼有良好的压力传感功能和柔韧性。
文档编号C08K3/04GK102732039SQ201210243638
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月13日 优先权日2012年7月13日
发明者刘彩霞, 刘秀梅, 张玉刚, 杨庆华, 缪伟, 蔡文婷, 黄英 申请人:合肥工业大学