炭黑填充压敏硅橡胶导电机理及压力分布表征研究

在橡胶中填入导电材料可制成导电橡胶，其导电性能与橡胶基质、填料种类、填充量以及温度等因素有关。当导电填料量合适时，复合材料的电阻率随外加压力的变化而变化。利用这一特性，导电橡胶可用于测量平面及曲面压力分布。应用宏观导电通路理论和微观隧道电流理论，研究导电橡胶导电机理。分析炭黑填充型导电硅橡胶导电网络形成机制和电流传导行为。通过理论和实验研究，获得导电特性曲线的分布规律，确定使压敏橡胶具有电学性能、力学性能和柔韧性的质量配比。研究提高和改善复合材料导电性能的改性机理和方法。通过对压敏橡胶体压阻行为和表面压阻行为的研究，建立压阻计算模型。研究压敏橡胶的温度效应，确立复合材料电导率与温度之间的数学模型。进行压敏橡胶动态响应和机械强度研究。设计新型的压力分布检测柔性压力传感器结构，获得相关传感器特性。提出平面压力分布和曲面压力分布表征新方法。研究在小间隙及流体压力作用下，实现压力分布测量的新方法。

以硅橡胶为基体加入炭黑而制得的填充复合型导电高分子材料具有压阻性、温阻性，是柔性传感技术领域很有应用价值的研究内容。.研究表明，炭黑/硅橡胶复合材料的体系电阻率随炭黑浓度的变化是不连续的，表现出非线性的渗滤导电现象，机理是导电通路理论与隧道效应理论同时存在。在不同条件下，是以其中一种为主或两者同时作用。炭黑含量较少时，炭黑粒子间间距较大无法直接接触形成导电链，电子发生跃迁形成隧道电流，隧道效应起主导作用；炭黑含量较大时，单位体积炭黑粒子密度较大形成导电网络，此时导电通路理论占主导作用。.通过实验研究确定了制备导电橡胶的原料配比，结合炭黑并用、添加改性剂等方式，优化了制备工艺。采用气相法和液相法分别对炭黑表面进行了氧化预处理，有效提高了炭黑在硅橡胶中的分散性。.导电硅橡胶呈现多样化的压阻行为，其压阻效应包括表面压阻效应、体压阻效应以及应变电阻效应，而且材料表面电阻灵敏度高于体电阻灵敏度。一定炭黑添加量时，复合材料的电阻率随着压力的增大而减小，据此明确了压力与电阻之间的变化规律，建立了有效压敏区间的计算模型。通过搭建液压、气压实验平台，探索了导电橡胶在液体以及气体作用下的压阻特性。.导电橡胶导电特性还表现在其响应的迟滞性及弛豫性。通过分析计算不同外力作用下的迟滞性系数，绘制了材料的迟滞曲线，通过添加纳米改性材料，迟滞改善明显。导电硅橡胶弛豫现象与材料的应力松弛行为存在一定的关联性，而且弛豫时间与基体的几何结构、炭黑填量、加载大小、环境温度等有关。用指数弛豫方程可以较好的描述弛豫现象。.导电橡胶的温度效应表现在，当压力恒定、逐渐升温时，在热膨胀和热扰动共同作用下，复合材料先呈现负温度系数效应后呈现正温度系数效应，有一转折点；温度恒定时，电阻率随压力的增加先突降后平稳。建立了导电橡胶的温阻模型。用最小二乘法进行温度补偿，其灵敏度和温度系数均有提高。.研究了导电橡胶力敏响应的静态性能和动态性能，分析了多种条件下的测量范围、灵敏度、重复性等性能指标，以及单位阶跃响应性能参数。实验并获得复合材料增强抗老化、耐腐蚀的有效方法。.设计了一种导电橡胶阵列传感器单元结构，采用独立节点形式以减少电阻串扰，开发并制作了一套阵列式压力分布检测系统，初步实现了平面压力测量与成像显示。.通过对导电橡胶制备工艺、压阻行为、温阻效应、响应规律、传感特性、改性机理等方面的研究和探索，对其导电性能和特殊用