PDMS基柔性电容式传感器制备方法的研究
随着现代传感器技术的不断进步，柔性传感器轻薄、小型、智能的优点而使其应用越来越广泛，针对柔性传感器的研究逐渐成为热点，柔性电容式传感器因其原理简单、响应速度快、精度高的特性成为了目前最常见的柔性传感器种类之一。然而如何大规模、高效率制备工作特性优良的柔性电容式传感器仍然是一个难题。本论文基于此问题，以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为高聚物柔性基体，碳纤维(SCF)和碳纳米管(CNT)为功能填料，通过空间限域强制组装法制备了复合传感材料。并进一步，将其组装成电容式传感器，并对结构与制备工艺进行改进，提升了传感器灵敏度，为柔性电容式传感器的制备提出了一个新方法，本文主要内容有: (1)基于空间限域强制组装法(SCFNA)和差温热压印法制备了PDMS/SCF/CNT导电复合材料，将其组装成上下电极片+介电层的“三明治”结构传感元件，并自主设计了水浴加热封装硅胶装置，将其封装成电容式柔性传感器，同时探究不同SCF填料浓度对传感器性能的影响。结果表明，传感器灵敏度随SCF浓度增大而提高，SCF浓度为6％时灵敏度为0.036PF/N，在0-500N工作范围内具有97.4％的线性度、重复性误差为7.4％和迟滞性误差为14.1％。 (2)为了提高传感元件拉伸率，设计了SCFNA-刮涂介电层法和刮涂导电硅胶-介电层法，结果表明经过刮涂法制成的传感元件的拉伸率由原来的110％增大到了140％以上，且刮涂导电硅胶-介电层法制备的电极与介电层粘接的效果最好，使用SCFNA-刮涂介电层法，PDMS/4％SCF/1％CNT电极材料制备的传感器最大灵敏度为0.036PF/N，迟滞性误差为12.3％。使用刮涂导电硅胶-介电层法制备的传感器在介电层厚度为0.2mm时灵敏度最大为0.141PF/N，迟滞性偏差为7.8％，重复性偏差为2.5％，工作性能均有一定提升。 (3)将制成的柔性电容式传感器应用到了高铁减震弹簧动载荷实验中，使用ANSYS软件模拟了高铁弹簧的受力状态，并自主设计了动载荷实验平台与信号采集系统。该系统能记录高铁弹簧受到的实时载荷和监测受力曲线，实验表明该传感器在10-60KN的动载荷作用下工作性能良好，最大滞后仅为0.4％，并测得高铁弹簧在正常状态下变形量为14％，弹性极限为20％。
柔性传感器;聚二甲基硅氧烷;空间限域强制组装法;刮涂法;碳纤维;碳纳米管
北京化工大学
硕士
机械工程
赵中里;刘彬
2021
中文
TP212
2021-09-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）