本實(shí)用新型涉及測(cè)力技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種納米導(dǎo)電橡膠傳感單元。

背景技術(shù)：

納米導(dǎo)電橡膠是一種在絕緣橡膠基體中摻入納米級(jí)導(dǎo)電填料后而產(chǎn)生導(dǎo)電性能的復(fù)合材料。由于其具有良好的壓阻特性、耐久性、耐疲勞性和柔韌性，已經(jīng)被廣泛研究用作壓力傳感材料，并且在機(jī)器人、醫(yī)療、航天等領(lǐng)域取得了應(yīng)用。

研究表明，納米導(dǎo)電橡膠作為壓敏材料時(shí)，其量程與導(dǎo)電橡膠的厚度、硬度和制作工藝有關(guān)。通過提高納米導(dǎo)電橡膠的厚度和硬度可以適量的提高其量程范圍。而薄片式壓力傳感器的厚度在某些工作場(chǎng)合往往受到限制，進(jìn)而限制了納米導(dǎo)電橡膠的厚度；而且較厚的納米導(dǎo)電橡膠材料在較高壓力作用下會(huì)因較大的橫向變形而被撕裂，不能達(dá)到足夠的機(jī)械強(qiáng)度。通過優(yōu)化納米導(dǎo)電橡膠的成分配比或添加改性材料、補(bǔ)強(qiáng)劑的方式是改善其導(dǎo)電性和機(jī)械性能的有效途徑。公開號(hào)為CN 104893291A的中國(guó)專利公開了一種硅橡膠基力敏復(fù)合材料的制備方法，以納米級(jí)金屬顆粒作填料，最大壓強(qiáng)測(cè)量值為2.4MPa。此外，也有學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)證明通過添加納米Si0₂和納米Al₂O₃可有效提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性和壓力敏感范圍。

目前針對(duì)納米導(dǎo)電橡膠的研究以炭黑填充型為主，基于納米導(dǎo)電橡膠的壓力傳感器多數(shù)處于實(shí)驗(yàn)階段，部分取得工業(yè)應(yīng)用的納米導(dǎo)電橡膠傳感器，由于靈敏度、線性度和量程的限制，尚不能滿足機(jī)械、土木工程等領(lǐng)域中大壓強(qiáng)狀態(tài)的壓力測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題，在于提供一種測(cè)力量程大、量程范圍內(nèi)靈敏度高、壓阻特性曲線線性度好且能滿足薄片式要求的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元。

本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

本實(shí)用新型提供了一種納米導(dǎo)電橡膠傳感單元，其包括至少兩層織物層，相鄰所述織物層之間填充有納米導(dǎo)電橡膠，所述納米導(dǎo)電橡膠為摻入碳納米管的橡膠基體。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述碳納米管為多壁碳納米管。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述多壁碳納米管在所述納米導(dǎo)電橡膠的質(zhì)量百分比在8%至9%之間。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述織物層的纖維紋理空隙中滲透有納米導(dǎo)電橡膠。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述橡膠基體為硅橡膠，所述硅橡膠的基本組分和固化劑的配比為10：1。

本實(shí)用新型的有益效果是：

1、本實(shí)用新型納米導(dǎo)電橡膠傳感單元通過增設(shè)織物層作為骨架，有效提高了納米導(dǎo)電橡膠傳感材料的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和疲勞性能，實(shí)現(xiàn)了在0至50MPa的壓強(qiáng)測(cè)量范圍內(nèi)具有較好的靈敏度、線性度及多次循環(huán)加載的穩(wěn)定性，可以應(yīng)用在機(jī)械制造、土木工程等領(lǐng)域高壓狀態(tài)下的長(zhǎng)期壓力測(cè)量。

2、本實(shí)用新型納米導(dǎo)電橡膠傳感單元在豎向壓力作用下，測(cè)量的電阻值隨著壓力的增大而增大，呈現(xiàn)正壓阻效應(yīng)，不同于已有的炭黑填充型導(dǎo)電橡膠，壓阻特性曲線線性度好，適合制作高精度的壓力傳感器。

3、本實(shí)用新型納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的最小厚度可以達(dá)到0.5毫米，而且可以適用于任何曲面和形狀的壓力傳感器。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的斷面微觀圖（用光學(xué)顯微鏡拍攝）；

圖3是本實(shí)用新型納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的測(cè)試示意圖；

圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例一制備的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元多次加載的電阻—壓強(qiáng)曲線圖；

圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例二制備的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元多次加載的電阻—壓強(qiáng)曲線圖；

圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例三制備的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元多次加載的電阻—壓強(qiáng)曲線圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本實(shí)用新型的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果進(jìn)行清楚、完整地描述，以充分地理解本實(shí)用新型的目的、特征和效果。顯然，所描述的實(shí)施例只是本實(shí)用新型的一部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例，基于本實(shí)用新型的實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的其他實(shí)施例，均屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。另外，專利中涉及到的所有聯(lián)接/連接關(guān)系，并非單指構(gòu)件直接相接，而是指可根據(jù)具體實(shí)施情況，通過添加或減少聯(lián)接輔件，來組成更優(yōu)的聯(lián)接結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型中的各個(gè)技術(shù)特征，在不互相矛盾沖突的前提下可以交互組合。

請(qǐng)參照?qǐng)D1，本實(shí)用新型納米導(dǎo)電橡膠傳感單元為多層結(jié)構(gòu)，其中作為骨架層的高強(qiáng)度織物層1上下間隔多層分布，在織物層1之間用一定厚度的納米導(dǎo)電橡膠2填充。所述織物層1的材料組織密實(shí)，具有一定的厚度、彈性和強(qiáng)度，滿足在較高壓力作用下發(fā)生彈性變形而不破壞的要求。同時(shí)，織物的縱橫纖維形成的紋理有一定的空隙，保證在制備過程中覆蓋在其上的納米導(dǎo)電橡膠溶液能夠滲入到空隙，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性。所述的納米導(dǎo)電橡膠1的基體材料為硅橡膠（PDMS），其由基本組分和固化劑按照10:1的配合比組成；導(dǎo)電填料為碳納米管，優(yōu)選為多壁碳納米管（MWCNT），多壁碳納米管的質(zhì)量百分比在8%至9%之間。

織物采用中號(hào)或高號(hào)氨綸、高彈錦綸等彈性纖維織成（號(hào)數(shù)越大，纖維越粗），選擇高號(hào)紗線是為了保證織物具有一定厚度承載壓下形變。要求彈性纖維彈性具備三個(gè)特點(diǎn)：（1）彈性回復(fù)率高；（2）回彈迅速；（3）彈性模量高（使其伸長(zhǎng)所需負(fù)荷高）。彈性回復(fù)率計(jì)算公式如下：

彈性回復(fù)率(%)=[(L₁-L^’₁)/( L₁-L₀)] ×100%；其中：L₀—試樣原始長(zhǎng)度；L₁—試樣拉伸至伸長(zhǎng)時(shí)長(zhǎng)度；L^’₁—試樣復(fù)位后長(zhǎng)度。

本實(shí)用新型添加高強(qiáng)度織物層1作為納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的勁性骨架，顯著提高了納米導(dǎo)電橡膠在0至50MPa高壓下的強(qiáng)度和韌性，而不發(fā)生撕裂，保證了這種傳感單元在高壓下的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，可用于制作高量程薄片式柔性納米導(dǎo)電橡膠壓力傳感器。

本實(shí)用新型納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的工作原理：傳感單元呈薄片狀，當(dāng)此薄片單元承受上下表面的壓力時(shí)，會(huì)發(fā)生形變，形變包括厚度方向的壓縮和薄片面內(nèi)的膨脹。形變的發(fā)生會(huì)使導(dǎo)電橡膠內(nèi)部碳納米管之間的距離以及由其形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化，這兩方面的變化會(huì)表現(xiàn)出導(dǎo)電橡膠的電阻率及電阻發(fā)生變化，引起測(cè)量電信號(hào)的變化，進(jìn)而根據(jù)導(dǎo)電橡膠的壓阻特性可以反推得到承壓面的受力狀態(tài)。

本實(shí)用新型納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的制備主要采用溶液共混法和模壓成型，具體的制備方法如下：

S1、配料：將硅橡膠（PDMS）的基本組分、固化劑與碳納米管按照質(zhì)量配比進(jìn)行稱重，倒入攪拌機(jī)中，在室溫下，進(jìn)行機(jī)械研磨混合，保證碳納米管在橡膠基體中均勻分布，以制成納米導(dǎo)電橡膠溶液。

S2、合成：準(zhǔn)備多塊大小相同的高強(qiáng)度織物，在模具底板平鋪一織物層，將S1中制備的納米導(dǎo)電橡膠溶液均勻涂覆在織物上至一定厚度，再在其上平鋪另一織物層；根據(jù)納米導(dǎo)電橡膠傳感元件的厚度需要，可繼續(xù)重復(fù)涂覆納米導(dǎo)電橡膠溶液和增鋪織物層的過程。

S3、固化：將模具頂板放置在未固化的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元最上層織物層上，通過模具上下頂?shù)装宓倪B接作用，給納米導(dǎo)電橡膠材料施加一定的壓力，保證其厚度的均勻性和密實(shí)性。將模具放置到60℃的容器中，將容器抽成真空，放置至少300min。

在納米導(dǎo)電橡膠傳感單元固化之后，可以按照傳感器設(shè)計(jì)要求，用加工刀具將固化的薄片式納米導(dǎo)電橡膠傳感單元切割成需要的大小和形狀，連接上電極和絕緣保護(hù)層即完成大量程薄片式柔性納米導(dǎo)電橡膠壓力傳感器的制作。

圖2為本實(shí)用新型納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的斷面微觀圖，由圖中可以看出：（1）織物在導(dǎo)電橡膠中充當(dāng)骨架，提高了整個(gè)傳感單元的強(qiáng)度；（2）相對(duì)于導(dǎo)電橡膠，彈性織物具有更高的彈性模量，提高了整個(gè)結(jié)構(gòu)的回彈能力，受壓變形之后其彈性回復(fù)率提高，并且回彈迅速的彈性纖維抵消了橡膠固有的回彈遲滯現(xiàn)象；（3）在大壓力的情況下，由于接觸面難以保證絕對(duì)平整，以及橡膠本身的成分偏析，導(dǎo)電橡膠易發(fā)生應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋并失效。但在此結(jié)構(gòu)下，柔軟的織物能有效避免應(yīng)力集中，并且其在大壓力下依舊能夠保證一定厚度，纖維之間的空隙為導(dǎo)電橡膠的存在提供空間，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)大壓力測(cè)量具有重大意義。

圖3是本實(shí)用新型納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的測(cè)試示意圖。如圖3所示，傳感單元3承受箭頭所示壓力，傳感單元3左右兩側(cè)的左測(cè)量電極41和右測(cè)量電極42通過導(dǎo)線5與歐姆表6電連接，在壓力作用下傳感單元3發(fā)生形變，電阻增大，呈現(xiàn)正壓阻效應(yīng)。

實(shí)施例一。

按照質(zhì)量比，硅橡膠（PDMS）的基本組分100份，固化劑10份，雙壁碳納米管9.57份，雙壁碳納米管在納米導(dǎo)電橡膠混合液中的質(zhì)量占比為8%，織物選用市面購(gòu)置的一種具有合適厚度、彈性和強(qiáng)度的布料。制備的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元為邊長(zhǎng)50mm的正方形，厚度為3mm，其中織物層有2層，分別位于傳感單元上下表面；導(dǎo)電橡膠層有1層，位于上下織物層中間，厚度約為1mm。

圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例一制備的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元按照?qǐng)D3的測(cè)試方法獲得的4次循環(huán)加載電阻隨壓強(qiáng)的變化曲線，可以看出傳感單元在0至50MPa壓強(qiáng)范圍內(nèi)具有較好的靈敏度、線性度和穩(wěn)定性，符合制作壓力傳感器的材料要求。

實(shí)施例二。

按照質(zhì)量比，硅橡膠（PDMS）的基本組分100份，固化劑10份，雙壁碳納米管10.22份，雙壁碳納米管在納米導(dǎo)電橡膠混合液中的質(zhì)量占比為8.5%，織物選用市面購(gòu)置的一種具有合適厚度、彈性和強(qiáng)度的布料。制備的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元為邊長(zhǎng)50mm的正方形，厚度為3mm，其中織物層有2層，分別位于傳感單元上下表面；導(dǎo)電橡膠層有1層，位于上下織物層中間，厚度約為1mm。

圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例二制備的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元按照?qǐng)D3的測(cè)試方法獲得的4次循環(huán)加載電阻隨壓強(qiáng)的變化曲線，可以看出傳感單元在0至50MPa壓強(qiáng)范圍內(nèi)具有較好的靈敏度、線性度和穩(wěn)定性，符合制作壓力傳感器的材料要求。

實(shí)施例三。

按照質(zhì)量比，硅橡膠（PDMS）的基本組分100份，固化劑10份，雙壁碳納米管10.88份，雙壁碳納米管在納米導(dǎo)電橡膠混合液中的質(zhì)量占比為9%，織物選用市面購(gòu)置的一種具有合適厚度、彈性和強(qiáng)度的布料。制備的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元為邊長(zhǎng)50mm的正方形，厚度為3mm，其中織物層有2層，分別位于傳感單元上下表面；導(dǎo)電橡膠層有1層，位于上下織物層中間，厚度約為1mm。

圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例1制備的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元按照?qǐng)D3的測(cè)試方法獲得的4次循環(huán)加載電阻隨壓強(qiáng)的變化曲線，可以看出傳感單元在0至50MPa壓強(qiáng)范圍內(nèi)具有較好的靈敏度、線性度和穩(wěn)定性，符合制作壓力傳感器的材料要求。

本實(shí)用新型采用多層織物作為骨架層，通過特定的工藝與納米導(dǎo)電橡膠緊密結(jié)合，納米導(dǎo)電橡膠滲透進(jìn)織物空隙里形成穩(wěn)固的整體?？椢飳泳哂泻芎玫膹椥?、韌性和抗拉強(qiáng)度，既可以與導(dǎo)電橡膠層一起彈性變形，滿足傳感單元的變形需要，又可以限制傳感單元變形過大而保護(hù)導(dǎo)電橡膠層在高壓下不被撕裂，有效提高了傳感單元在壓力敏感范圍內(nèi)的機(jī)械強(qiáng)度，在較高壓力作用下反復(fù)加卸載而不破壞，具有很好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，使其滿足了制作高量程、大承壓壓力傳感器的要求。

以上是對(duì)本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例進(jìn)行了具體說明，但本實(shí)用新型并不限于所述實(shí)施例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本實(shí)用新型精神的前提下還可做出種種的等同變形或替換，這些等同的變形或替換均包含在本申請(qǐng)權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。