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1、第8卷 第13期 2008年7月 167121819(2008) 1323689203 科 学 技 术 与 工 程 Science Technology and Engineering Vol . 8 No. 13 July 2008 2008 Sci .Tech. Engng . 化工技术 压敏导电橡胶的压敏性测试 王 彬 肖昭然 (河南工业大学,郑州450052) 摘 要 压敏导电橡胶作为一种新型的敏感材料已被用于压力分布测量系统中。简单介绍了压敏导电橡胶的导电机理,对 导电橡胶的压敏性进行了测试,最后总结了一下压敏导电橡胶作为制作压力传感器的敏感材料的优缺点。 关键词 导电橡胶 压敏性
2、压力传感器 中图法分类号 TQ333. 99; 文献标志码 B 2008年2月19日收到 压敏导电橡胶(PCR)是具有电阻应变效应的 敏感材料,又称为感压导电橡胶、 压电橡胶。当外 力不作用时,压敏导电橡胶的电阻值较高;加受压 后电阻值明显降低,显示导电的性质。利用这一可 贵的特性,压敏导电橡胶就可以用于制作一系列元 器件,如压力传感器、 触觉传感器、 触点及触面开关 元件、 高密度文字处理机的开关面板,以及计算机 用符号图像转读装置等。 1 压敏导电橡胶的成分 压敏导电橡胶是由天然橡胶或合成橡胶,如三 元乙丙橡胶、 丁腈橡胶、 氯丁橡胶、 硅橡胶等,与导 电粒子混炼后硫化制得。导电粒子可采用
3、炭黑、 金 属粒子、 石墨、 纤维状导电填料等。 2 压敏导电橡胶的导电机理 导电橡胶的导电机理取决于所填充的导电材 料。碳系导电填料,如石墨、 炭黑等,是通过本身 电子的迁移而在橡胶基体中形成电流。金属系导 电填料是本身互相接触的自由电子移动而产生电 流。纤维状导电填料是通过纤维之间的互相搭接, 在橡胶基体中形成三维的导电网络,从而使电子流 动 1 。华南理工大学霍玉云教授等研究了压敏导 电橡胶的导电机理,认为当导电橡胶中的导电粒子 含量不能太高或太低,要正好处在发生隧道穿透几 率迅速上升前的水平。这样的复合物在压力下,橡 胶基材发生一定的形变,受压部分的导电粒子含量 增大。受压部分的电阻由
4、空间电荷有效传导和肖 特基发射传导所决定,转为由隧道效应传导和欧姆 传导所决定,因而复合物的电阻在压力下能有四个 数量级以上的变化,于是该导电橡胶才可能成为压 敏导电橡胶 24 。 3 导电橡胶压阻性测试 压敏导电橡胶是一种新型的高分子材料,它的 压阻 (F 2 R) 特性 电阻随压力的增大而减小,将 为力测量提供信号。通常有两种F2R特性,一种是 开关型 (ON 2OFF) :表现为当压力大于某一数值后, 电阻急剧减小到几乎为零;另一种是电阻型,其电 阻随压力的增加近乎线形减小 57 。 笔者自己动手制作了一个简单的导电橡胶压 力传感器(图 1) 8 ,压力传感器主要由薄硅胶片、 上 下电极
5、薄铜板、 导电橡胶阵列组成。压力传感器具 体构造如图2所示,主要由5部分构成: 1为透明硅 橡胶片,用来当传感器的保护层; 2为导线; 3为薄铜 片,导线的一端焊接在薄铜片上,另一端作为传感 器的外引出端; 4为硅橡胶层,它是由初始状态为膏 状的白硅胶固化而成,它是绝缘的并具有粘性,能 够粘结硅橡胶片、 导电橡胶片及金属片等,白硅胶 的作用为隔断上下电极; 5为边长3 cm的正方形导 电橡胶片。 制作时,把导电橡胶片放好位置,并用具有较 好平整度的重物压在传感器上。当白硅胶固化时, 把透明硅橡胶片1、 薄铜片3、 导电橡胶片5等固定 在一起。使传感器位置固定而不移动,薄铜片通过 黑色的环氧胶粘
6、在硅橡胶片上。导电橡胶片5和薄 铜片3构成压力传感器,传感器的两极通过焊接在 薄铜片3的导线2引出。这样在受到牙齿咬合力 时,导电橡胶的电阻随之变化,通过铜片电极板上 的线引出,接到电路处理部分,以便进一步处理。 导电橡胶压阻关系测试装置(如图 3) 图3 测试装置图 导电橡胶压敏性测试装置(图 3) 主要由压力传 感器、 空气压缩机、 压力罐和万用表四部分组成。 压力罐的作用是给压力传感器加压,通过压力表读 取压力数据。空气压缩机的作用是向压力罐内充 气,使压力罐内产生气压。万用表用于读取置于压 力罐内的压力传感器电阻数据。 加载过程:通过空气压缩机向压力罐内充气, 压力罐内的压强在充气的过
7、程中逐渐增大。每隔 0. 1 MPa读取一下导电橡胶的电阻值,输入到表格 (表 1) 。 卸载过程:通过气阀给压力罐放气减压,每隔 0. 1 MPa读取一下导电橡胶的电阻值,输入到表格, 如表1。 表1 导电橡胶的电阻值 压力(MPa)电阻值 (k 欧)加载电阻值 (k 欧)卸载 07. 407. 33 0. 16. 686. 62 0. 26. 076. 01 0. 35. 505. 44 0. 45. 024. 95 0. 54. 604. 54 0. 64. 214. 16 0. 73. 963. 92 0. 83. 843. 84 用Matlab对测试数据进行了处理,得出导电橡 096
8、3科 学 技 术 与 工 程8卷 胶的压阻关系曲线(图 4) 。从图4可以看出,在加 载过程,导电橡胶的电阻随着压力的增大而逐渐减 小;卸载过程,随着压力的减小电阻逐渐恢复,但是 加载过程与卸载过程曲线并不重合。这说明压敏 导电橡胶对形变恢复具有滞后效应。 图4 导电橡胶压阻关系曲线 4 总结 导电橡胶与常用的压电材料相比具有价格便 宜、 设计简单,及易于实现多点测量等优点。以导 电橡胶为原材料的传感器具有以下优点: (1)优良的加工性能,易于切割成任意形状和 批量生产; (2)良好的环境适应性能,如柔软、 耐腐蚀、 低 密度、 高弹性等; (3)作为接点材料,其印刷线路基版镀面的磨 耗非常小
9、,且接点无杂音 5 。 但是由于导电橡胶对形变恢复的滞后效应 6 , 不利于连续测量与重复利用,有待于工艺的进一步 改进。 参 考 文 献 1 李 青.基于导电橡胶的智能机器人触觉传感服装研究.重庆大 学硕士学位论文, 2006 2 李法华.功能性橡胶材料及制品.北京:化学工业出版社, 2003: 120121 3 霍玉云,关锐锋,曾庆东,等.感压导电弹性体的研究 11991; 12 (2) : 18 4 万 影,朱泉峣.导电橡胶的压敏性和热敏性研究.橡胶工业, 1999; 46(8) : 482487 5 金观昌.一种新型人足底压力分布测量系统及其应用.生物医学 工程学杂志, 2005; 2
10、2(1) : 133136 6 黄榕熙,胡国清,陈 雄,等.人体压力分布测量技术的研究现状 与发展综述.生命科学仪器, 2006; 4(12) : 1015 7 陈 艾.敏感材料与传感器 1北京:化学工业出版社,2004 8 黄榕熙.牙齿压力分布测量系统研究.厦门:厦门大学机电学 院,2007 Pressure2sensitivity Test of Pressure Sensitive Conductive Rubber WANGBin, XI AO Zhao2ran (Henan University of technology, Zhengzhou 450052, P. R. China
11、) Abstract As a new sensitive material, pressure sensitive conductive rubber has been used in the Pressure dis2 tribution measurement .Electric conduction mechanis m of pressure sensitive conductive rubber is introduced, and its pressure2sensitivity is tested.In the end it discusses theirmain characteristicswith the advantages and disadvan2 tages of pressure sensitive conductive rubber as the sensitive material . Key words conductive rubber pressure2sensitivity pressure sensor 196313期王 彬,等:压敏导电橡胶的压敏性测试
