[發明專利]一種用于柔性傳感器的導電橡膠材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201610058204.X
• 申請日: 2016-01-28
• 公開（公告）號: CN105542246A
• 公開（公告）日: 2016-05-04
• 發明（設計）人: 李大軍;徐行濤;方斌
• 申請（專利權）人: 深圳市慧瑞電子材料有限公司
• 主分類號: C08L7/00
• 分類號: C08L7/00;C08L9/00;C08L15/00;C08K3/04;C08J3/28;C08J3/24;H01B1/24;G01L1/14;G01L1/22
• 代理公司: 深圳中一專利商標事務所 44237
• 代理人: 張全文

技術領域

本發明屬于柔性傳感器領域，尤其涉及一種用于柔性傳感器的導電橡膠材 料及其制備方法和應用。

背景技術

應變型傳感器是一種能將機械形變信息轉換成電阻或電容等電信號輸出的 一種裝置。1885年英國物理學家開爾文發現金屬在承受壓力(拉力或扭力)后 產生機械形變的同時，電阻值也發生特征性的變異，稱為應變-電阻效應。受此 啟發，人們從電阻值的變化量得出材料受力的特征和量值，從而制造出所謂的 應變傳感器，主要包括壓力應變傳感器和拉力應變傳感器。目前，金屬、金屬 合金及具有壓阻效應的半導體材料成為應變型傳感器敏感單元的主要敏感材 料，得到了非常廣泛的應用。隨著科技的快速發展，生物醫學檢測、康復醫療、 智能機器人、可穿戴設備等領域復雜結構的力學測量，不但要求傳感器要具備 良好的應變-電阻特性，而且要有優秀的柔韌性能。由于金屬、金屬合金及半導 體材料本身彈性模量的限制，金屬式或半導體式電阻應變傳感器存在以下缺點： 柔性差、力學量變化幅度較小、結構復雜，制造成本高。所以傳統型的金屬式 或半導體式電阻應變傳感器在這些領域的應用就受到了限制，不能滿足當前科 技發展的要求。因此，開發一種新的柔韌性優良的應變型傳感器以滿足新的領 域對傳感器柔韌性的要求成為當前技術及應用發展的迫切要求。

發明內容

本發明的目的在于提供一種用于柔性傳感器的導電橡膠材料，旨在解決現 有金屬型、金屬合金型或半導體型應變傳感器柔性差、結構復雜的問題。

本發明的另一目的在于提供一種用于柔性傳感器的導電橡膠材料的制備方 法。

本發明是這樣實現的，一種用于柔性傳感器的導電橡膠材料，包括如下重 量份數的下列組分：

橡膠基體100份；

導電填料5-100份；

其中，所述橡膠基體為含有順式-1,4-異戊二烯結構的橡膠基體，且所述導 電橡膠材料通過將導電性填料分散在橡膠材料中、經電子束或γ射線輻射交聯 制成。

相應地，一種用于柔性傳感器的導電橡膠材料的制造方法，包括以下步驟：

按照上述用于柔性傳感器的導電橡膠材料的配方稱取各組分；

將各組分進行混煉處理，得到混煉膠；

將所述混煉膠進行成型處理；

采用電子束或γ射線輻射的方法對經過成型處理的樣品進行交聯，得到具 有應變-電阻效應的導電橡膠。

以及，一種應變型傳感器，包括敏感單元和設置在所述敏感單元兩端的金 屬電極，所述敏感單元由上述用于柔性傳感器的導電橡膠材料制成。

本發明提供的用于柔性傳感器的導電橡膠材料，由導電性填料分散在橡膠 材料中經電子束或者γ射線輻射交聯制成，相對于采用硫磺或有機過氧化物作 交聯劑的化學交聯法，具有生產效率高、環境污染小、交聯密度容易控制以及 導電橡膠電阻分布窄的優點。

所述導電橡膠材料具有良好的柔性和彈性，能夠產生較高的機械形變量。 具體的，所述導電橡膠材料在拉力作用下可以產生100％以上的拉伸形變，在 壓力作用下可以產生50％以上的壓縮形變。進一步的，本發明所述導電橡膠材 料在外力作用下產生形變的同時，其電阻值和電容均發生變化，即能夠同時產 生應變-電阻效應和應變-電容效應，且應變-電阻效應和應變-電容效應趨勢相 反。更具體的，本發明所述導電橡膠材料在拉力或壓力作用下其電阻隨著拉伸 形變增加不斷下降，呈現負電阻-應變效應，如當傳感器的形變量為30％時其電 阻值產生至少5倍的變化，其變化甚至可高達100倍以上；所述導電橡膠材料 拉力或壓力作用下其電容值隨著形變增加不斷增加，呈現正電容-應變效應，如 當傳感器的形變量為30％時其電容值產生至少10倍的變化，其變化甚至可高 達500倍以上。且本發明采用含有順式-1,4-異戊二烯結構的橡膠基體使得所述 導電橡膠優良的機械力學性能、較高的彈性，以及優異的耐屈撓性，從而賦予 所述基于導電橡膠材料的應變傳感器具有良好的信號靈敏性、回復性和穩定性， 所述導電橡膠的電阻率介于5.0×10²-1.0×10¹⁰Ω.cm之間，特別適用于作為應變 性傳感器(如拉力和壓力應變型傳感器)的敏感單元材料。