CN106495085A - 石墨烯填充硅橡胶复合材料压阻传感器及其研制方法 - Google Patents

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Abstract

一种石墨烯填充硅橡胶复合材料压阻传感器及其研制方法，属于测量技术领域。该方法将堆积密度为0.20g/cm3、直径为5μm、厚度小于15nm、碳含量大于98wt％的石墨烯作为导电填料，将介电常数为3.0、介电强度为15kV/mm的硅橡胶作为基体相，用溶液混合法和旋涂法制备出基于石墨烯填充硅橡胶复合材料的压阻薄膜，再用热压封装法将压阻薄膜和聚酰亚胺覆铜薄膜制备成石墨烯填充硅橡胶复合材料压阻传感器。利用本发明提出的方法所研制的压阻传感器压阻特性单调、灵敏度高、量程大、柔性好、可以应用于电子皮肤研制和曲面层间压力测量等领域中。

Description

石墨烯填充硅橡胶复合材料压阻传感器及其研制方法
技术领域
本发明属于测量技术领域，特别涉及到柔性压力传感器制备。
背景技术
随着科学技术的发展，薄型柔性压力传感器在工程应用中发挥着越来越重要的作用。导电高分子复合材料具有压阻特性、柔韧性和易加工性，因此可作为柔性压力传感器的敏感材料。在复合材料中通常用纳米粉末作为补强剂和导电填料。导电填料通过隧道效应或接触传导形成导电通道，当导电通道贯穿基体时，形成有效导电通道，为复合材料的导电性做出贡献。当外加压力和形变的作用在复合材料上时，导致有效导电通道发生变化，从而引起复合材料电阻发生变化，即：复合材料具有压阻效应。导电填料的含量对于压阻传感器的研制至关重要。导电填料含量过小，补强作用不足且无法形成有效的压阻网络；导电填料含量过大，不可避免地影响了复合材料的柔韧性；导电含量又直接决定了压阻特性单调性和灵敏度等重要指标。因此，导电填料含量的优化是研制基于这种复合材料的压阻传感器的关键，而导电填料本身的结构特征又是影响其最佳含量的重要因素。因此，如何确定最佳的导电填料的含量与结构以获得具有最佳电学与机械特性的压阻传感器是目前亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种石墨烯填充硅橡胶复合材料压阻传感器及其研制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：将堆积密度为0.20g/cm3、比表面积30-60m2/g、直径为5μm、厚度小于15nm、碳含量大于98wt％的石墨烯作为导电填料，将介电常数为3.0、介电强度为15kV/mm的硅橡胶作为基体相，将所述的石墨烯和硅橡胶与有机溶剂按6∶100∶900的体积比混合形成由石墨烯、有机溶剂和硅橡胶构成的混合物；对由石墨烯、有机溶剂和硅橡胶构成的混合物进行大功率机械搅拌，同时在催化剂和交联剂的作用下辅以超声振荡，温度80℃，待有机溶剂挥发后，形成由石墨烯和硅橡胶构成的混合体；将由石墨烯和硅橡胶构成的混合体滴入旋转平台，旋涂成压阻薄膜；在两张聚酰亚胺薄膜上覆合金属电极，分别作为上层封装薄膜和下层封装薄膜；将压阻薄膜的尺寸和形状裁剪为与金属电极的一致；将裁剪后的压阻薄膜贴附在下层封装薄膜的电极之上；在下层封装薄膜的金属电极周围涂覆热固胶；将上层封装薄膜覆盖在已涂覆热固胶的下层封装薄膜之上，并使下层封装薄膜的金属电极、压阻薄膜和下层封装薄膜的金属电极正对，形成汉堡包结构；用柔性材料封装设备对所述的汉堡包结构进行热压封装，进而制成石墨烯填充硅橡胶复合材料压阻传感器。
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压阻传感器的导电填料采用的具有二维纳米结构的石墨烯，与常用的零维和一维纳米结构相比，用石墨烯作为导电填料的复合材料具有更低的渗流阈值，更有利于制备出机械性能优良的传感器；
2、本发明确定的石墨烯含量和结构是经过大量实验和分析得到的，能使石墨烯填充硅橡胶复合材料压阻传感器的压阻特性单调、灵敏度高、量程大、柔性好、可以应用于电子皮肤研制和曲面层间压力测量等领域中。
具体实施方式
将堆积密度为0.20g/cm3、比表面积30-60m2/g、直径为5μm、厚度小于15nm、碳含量大于98wt％的石墨烯作为导电填料，将介电常数为3.0、介电强度为15kV/mm的硅橡胶作为基体相，将所述的石墨烯和硅橡胶与正己烷按6∶100∶900的体积比混合形成由石墨烯、正己烷和硅橡胶构成的混合物；对由石墨烯、正己烷和硅橡胶构成的混合物进行大功率机械搅拌，同时在催化剂和交联剂的作用下辅以超声振荡，温度80℃，待正己烷挥发后，形成由石墨烯和硅橡胶构成的混合体；将由石墨烯和硅橡胶构成的混合体滴入旋转平台，旋涂成压阻薄膜；在两张聚酰亚胺薄膜上覆合金属电极，分别作为上层封装薄膜和下层封装薄膜；将压阻薄膜的尺寸和形状裁剪为与金属电极的一致；将裁剪后的压阻薄膜贴附在下层封装薄膜的电极之上；在下层封装薄膜的金属电极周围涂覆热固胶；将上层封装薄膜覆盖在已涂覆热固胶的下层封装薄膜之上，并使下层封装薄膜的金属电极、压阻薄膜和下层封装薄膜的金属电极正对，形成汉堡包结构；用柔性材料封装设备对所述的汉堡包结构进行热压封装，进而制成石墨烯填充硅橡胶复合材料压阻传感器。
实施例
将堆积密度为0.20g/cm3、比表面积30-60m2/g、直径为5μm、厚度小于15nm、碳含量大于98wt％的石墨烯作为导电填料，将介电常数为3.0、介电强度为15kV/mm的硅橡胶作为基体相，将所述的石墨烯和硅橡胶与正己烷按6∶100∶900的体积比混合形成由石墨烯、正己烷和硅橡胶构成的混合物；对由石墨烯、正己烷和硅橡胶构成的混合物进行大功率机械搅拌，同时在催化剂和交联剂的作用下辅以超声振荡，温度80℃，待正己烷挥发后，形成由石墨烯和硅橡胶构成的混合体；将由石墨烯和硅橡胶构成的混合体滴入旋转平台，旋涂成厚度20-40微米的压阻薄膜；在两张厚度为22.5μm的聚酰亚胺薄膜上覆合金属电极，分别作为上层封装薄膜和下层封装薄膜，金属电极的尺寸为边长为5mm的正方形、厚度为10μm；将压阻薄膜的尺寸和形状裁剪为与金属电极的一致；将裁剪后的压阻薄膜贴附在下层封装薄膜的电极之上；在下层封装薄膜的金属电极周围涂覆热固胶；将上层封装薄膜覆盖在已涂覆热固胶的下层封装薄膜之上，并使下层封装薄膜的金属电极、压阻薄膜和下层封装薄膜的金属电极正对，形成汉堡包结构；用柔性材料封装设备对所述的汉堡包结构进行热压封装，进而制成石墨烯填充硅橡胶复合材料压阻传感器。

Claims (1)

1.一种石墨烯填充硅橡胶复合材料压阻传感器及其研制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：将堆积密度为0.20g/cm3、比表面积30-60m2/g、直径为5μm、厚度小于15nm、碳含量大于98wt％的石墨烯作为导电填料，将介电常数为3.0、介电强度为15kV/mm的硅橡胶作为基体相，将所述的石墨烯和硅橡胶与有机溶剂按6∶100∶900的体积比混合形成由石墨烯、有机溶剂和硅橡胶构成的混合物；对由石墨烯、有机溶剂和硅橡胶构成的混合物进行大功率机械搅拌，同时在催化剂和交联剂的作用下辅以超声振荡，温度80℃，待有机溶剂挥发后，形成由石墨烯和硅橡胶构成的混合体；将由石墨烯和硅橡胶构成的混合体滴入旋转平台，旋涂成压阻薄膜；在两张聚酰亚胺薄膜上覆合金属电极，分别作为上层封装薄膜和下层封装薄膜；将压阻薄膜的尺寸和形状裁剪为与金属电极的一致；将裁剪后的压阻薄膜贴附在下层封装薄膜的电极之上；在下层封装薄膜的金属电极周围涂覆热固胶；将上层封装薄膜覆盖在已涂覆热固胶的下层封装薄膜之上，并使下层封装薄膜的金属电极、压阻薄膜和下层封装薄膜的金属电极正对，形成汉堡包结构；用柔性材料封装设备对所述的汉堡包结构进行热压封装，进而制成石墨烯填充硅橡胶复合材料压阻传感器。
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