CN102998035A - 基于石墨烯填充硅橡胶复合材料压容效应的敏感元件及其研制方法 - Google Patents

基于石墨烯填充硅橡胶复合材料压容效应的敏感元件及其研制方法 Download PDF

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黄艳南
吴常军
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Abstract

一种基于石墨烯填充硅橡胶复合材料压容效应的敏感元件及其研制方法，属于传感技术领域。该敏感元件包括最外两层的封装薄膜和位于中间的具有压容效应的柔软压容材料。其中，封装薄膜为覆合有电极与引线的聚酰亚胺薄膜，柔软压容材料为利用溶液混合法制备的石墨烯填充硅橡胶复合材料。本发明研制的敏感元件柔性好、厚度薄、工艺简单、成本低，适用于机器人指端触觉、大型设备狭小曲面层间压力监测等领域。

Description

基于石墨烯填充硅橡胶复合材料压容效应的敏感元件及其研制方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，特别涉及到柔性压力传感器敏感材料制备与封装工艺。
背景技术
为确保航空航天和国防军事等领域的重大设备安全运行、及时获取系统状态信息，需要实时监测层间压力。然而，在工程实践中，很多设备层间间隙小、表面形状复杂。因此，迫切需要一种能够监测层间压力的薄型柔性传感器。导电高分子复合材料是一种新型功能材料，不但具有柔韧性，而且其电容随压力呈规律性变化。因此，这种复合材料可作为柔性压力传感器的敏感材料。目前，很多科研机构都在致力于研制基于这种新型材料的柔性力敏传感器。当外加压力作用在复合材料上时，一方面材料几何尺寸发生变化，另一方面，由导电相和基体相构成的等效介质的介电常数也发生变化，进而引起复合材料电容发生变化(即压容效应)。因而，可利用该压容效应来完成压力测量。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于石墨烯填充硅橡胶复合材料压容效应的敏感元件的研制方法。本发明所述的敏感元件采用三明治结构，包括最外两层封装薄膜和位于两层封装薄膜之间的柔性压容材料；两层封装薄膜均由聚酰亚胺薄膜和覆合其上的铜箔电极与引线构成，铜箔电极可根据实际应用要求设计为圆形、方形或矩形，单层聚酰亚胺薄膜的厚度为12.5μm；柔性压容材料为石墨烯填充硅橡胶复合材料，厚度小于50μm。本发明所述的基于石墨烯填充硅橡胶复合材料压容效应的敏感元件的研制方法，包括以下步骤：在聚酰亚胺薄膜上覆合铜箔电极和引线，形成封装薄膜；将石墨烯和室温硫化硅橡胶混合；将有机溶剂加入到石墨烯与室温硫化硅橡胶混合体中；对石墨烯/室温硫化硅橡胶/有机溶剂混合溶液进行大功率机械搅拌，同时辅以超声振荡，使石墨烯在混合溶液中分散，温度为40-50℃，在催化剂和交联剂的作用下，形成石墨烯/室温硫化硅橡胶混合物；将混合物均匀地涂覆在封装薄膜上，并将另一层封装薄膜覆盖其上，形成三明治结构；在室温下，混合物在两层封装薄膜之间硫化50小时后成型，得到基于石墨烯填充硅橡胶复合材料压容效应的敏感元件。
本发明的特点及效果：
1、本发明研制的石墨烯填充硅橡胶复合材料具有适于传感器标定的压容特性和良好的柔韧性；
2、本发明研制的基于石墨烯填充硅橡胶复合材料压容效应的敏感元件具有厚度薄、量程大、精度高、灵敏度高和成本低等优点，可以应用于人工电子皮肤研制和曲面层间压力监测等领域中。
具体实施方式
本发明提出的基于石墨烯填充硅橡胶复合材料压容效应的敏感元件的研制方法，包括以下步骤：在聚酰亚胺薄膜上覆合铜箔电极和引线，单层聚酰亚胺薄膜的厚度为12.5μm，电极厚度为10μm；将石墨烯和室温硫化硅橡胶混合，两者的质量比为0.06∶1-0.08∶1，该浓度范围是通过大量实验确定的，不但能够保证敏感材料具有适于标定的压容特性，而且具有良好的柔韧性；将有机溶剂加入到石墨烯与室温硫化硅橡胶混合体中，体积比为100∶1；对石墨烯/室温硫化硅橡胶/有机溶剂混合溶液进行大功率机械搅拌，同时辅以超声振荡，使石墨烯在混合溶液中分散，温度为40-50℃，在催化剂和交联剂的作用下，形成石墨烯/室温硫化硅橡胶混合物；将混合物均匀地涂覆在封装薄膜上，并将另一层封装薄膜覆盖其上，形成三明治结构；在室温下，混合物在两层封装薄膜之间硫化50小时后成型，得到总厚度小于100μm的基于石墨烯填充硅橡胶复合材料压容效应的敏感元件。

Claims (2)

1.一种基于石墨烯填充硅橡胶复合材料压容效应的敏感元件，其特征在于，所述敏感元件采用三明治结构，包括最外两层封装薄膜和位于两层封装薄膜之间的柔性压容材料；两层封装薄膜均由聚酰亚胺薄膜和覆合其上的铜箔电极与引线构成，铜箔电极可根据实际应用要求设计为圆形、方形或矩形，单层聚酰亚胺薄膜的厚度为12.5μm，柔性压容材料为石墨烯填充硅橡胶复合材料，厚度小于50μm。
2.如权利要求1所述的基于石墨烯填充硅橡胶复合材料压容效应的敏感元件的研制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：在聚酰亚胺薄膜上覆合铜箔电极和引线，形成封装薄膜；将石墨烯和室温硫化硅橡胶混合；将有机溶剂加入到石墨烯与室温硫化硅橡胶混合体中；对石墨烯/室温硫化硅橡胶/有机溶剂混合溶液进行大功率机械搅拌，同时辅以超声振荡，使石墨烯在混合溶液中分散，温度为40-50℃，在催化剂和交联剂的作用下，形成石墨烯/室温硫化硅橡胶混合物；将混合物均匀地涂覆在封装薄膜上，并将另一层封装薄膜覆盖其上，形成三明治结构；在室温下，混合物在两层封装薄膜之间硫化50小时后成型，得到基于石墨烯填充硅橡胶复合材料压容效应的敏感元件。
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