專利名稱：用于柔性觸覺傳感器的壓力敏感材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可溶液成型的用于柔性觸覺傳感器的壓力敏感材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
多年來人們不斷嘗試?yán)貌煌脑硪约安煌牟牧?，來研制柔性觸覺傳感器。如日本 Yoji Yamada等在硅橡膠材料內(nèi)埋入柔性光纖，利用硅橡膠變形產(chǎn)生的壓力作用于傳感器單 元上的原理來研究柔性觸覺傳感器；株式會社東京大學(xué)TLO利用透明彈性體材料和設(shè)置在 該彈性體內(nèi)的多個有色標(biāo)志組構(gòu)成光學(xué)式柔性觸覺傳感器；韓國國家技術(shù)科學(xué)院利用光纖光 柵傳感系統(tǒng)和觸覺傳感器技術(shù)，研究陣列分布結(jié)構(gòu)的柔性觸覺傳感器；重慶大學(xué)采用壓電效 應(yīng)原理和PVDF膜材料研制柔性觸覺傳感器。中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所利用電容 的原理、MEMS技術(shù)和有機(jī)柔性材料PDMS研制柔性電容式觸覺傳感器；杭州電子科技大 學(xué)利用分層分裝的原理，采用導(dǎo)電橡膠研制一種陣列式機(jī)器人柔性觸覺傳感器；3M創(chuàng)新有 限公司釆用電容的原理利用柔性電阻材料膜層研制柔性觸覺傳感器。但是，各類己有的柔性觸覺傳感器共同存在的問題包括1、 在材料的選擇上，材料本身不能兼有良好觸覺傳感功能和柔韌性，并且成本高；2、 在傳感器陣列結(jié)構(gòu)的布置上，由于所選擇的材料的限制，對陣列結(jié)構(gòu)要求高，主要 適用于剛性、組合式陣列結(jié)構(gòu)，不能適用于任意設(shè)計的觸覺傳感器陣列，適用范圍?。?、 在制作工藝上,現(xiàn)有的柔性觸覺傳感器研究主要是使用MEMS技術(shù)和分層安裝技術(shù) 等，制作工藝要求高，成本大。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種兼有良好觸覺傳感功能和柔 韌性、適用于任意設(shè)計的觸覺傳感器陣列結(jié)構(gòu)的用于柔性觸覺傳感器的壓力敏感材料； 本發(fā)明同時提供一種工藝簡單、用于柔性觸覺傳感器的壓力敏感材料的制備方法。 本發(fā)明解決問題采用如下技術(shù)方案本發(fā)明用于柔性觸覺傳感器的壓力敏感材料的特點是所述材料以炭黑和硅橡膠復(fù)合體 系添加納米Si02或納米Al203為原料，所述原料中各成分按如下重量份配比 液態(tài)硅橡膠100份； 導(dǎo)電炭黑6 10份；納米Si02 : 2 5份或納米Al203 : 3 6份； 分散劑8 10份。本發(fā)明用于柔性觸覺傳感器的壓力敏感材料的特點也在于所述液態(tài)硅橡膠為單組分室溫固化液態(tài)硅橡膠RTV GD401 。所述導(dǎo)電炭黑為ECP-CB-1，其平均粒徑為30 40nm，電阻率為0.2 0.6Q cm。 所述納米Si02的粒徑為15 20nm。 所述納米A1203的粒徑為20 25nm。 所述分散劑為蒸餾石腦油，密度650 750kg/m3。本發(fā)明用于柔性觸覺傳感器的壓力敏感材料的制備方法的特點是在常溫、常壓下，將導(dǎo) 電炭黑與分散劑經(jīng)超聲分散后得混合溶液A;將納米Si02粉末或納米A1203粉末添加到混合 溶液A中，再經(jīng)超聲分散后，得混合溶液B;將混合溶液B添加到液態(tài)硅橡膠中，又經(jīng)超 聲分散得混合溶液C;將混合溶液C注入觸覺傳感器結(jié)構(gòu)模型中，室溫下完成固化成型。為了有效提高壓力敏感材料在觸覺傳感功能和柔韌性上的兼容性，本發(fā)明選用固化成型 后柔韌性良好的液態(tài)硅橡膠作為基體材料，通過納米材料摻雜，在保證該材料觸覺傳感功能 的同時更進(jìn)一步改善其柔軟性。本發(fā)明采用液體硅橡膠成型的方法，可以將壓力敏感材料溶 液填充到任意設(shè)計的觸覺傳感器結(jié)構(gòu)模型中經(jīng)固化成型，極為有效地提高了柔性觸覺傳感器 觸覺傳感功能和柔韌性的兼容性，適于任意設(shè)計的觸覺傳感器結(jié)構(gòu)。與已有技術(shù)相比，本發(fā) 明有益效果體現(xiàn)在1、 本發(fā)明采用液態(tài)硅橡膠作為基體材料，固化成型后的硅橡膠本身具有的很好柔韌性，保證了壓力敏感材料的柔韌性；2、 本發(fā)明采用導(dǎo)電炭黑ECP-CB-1作為導(dǎo)電顆粒，平均粒徑為30 40nm，易于在液態(tài) 硅橡膠中分散；電阻率為0.2 0.6Q ，cm，使壓力敏感材料具有良好的壓力敏感特性，保證 了其具有良好觸覺傳感的功能；3、 本發(fā)明采用摻雜納米Si02或納米A1203，有效提高了導(dǎo)電炭黑ECP-CB-1在液態(tài)硅 橡膠中的分散均勻性，改善了壓力敏感材料的觸覺傳感功能；4、 本發(fā)明選用炭黑和硅橡膠作為基體材料，相比已有的柔性觸覺傳感器材料，如光纖 和壓電薄膜等，有效地降低了成本；5、 本發(fā)明采用液體硅橡膠成型的方法，使本發(fā)明材料可以應(yīng)用于任意設(shè)計的觸覺傳感 器結(jié)構(gòu)模型中，拓寬了其適用的范圍，并且該方法工藝簡單，降低了柔性觸覺傳感器的成本。


圖l是實施例l、 2、 3、 4的壓力敏感材料的壓力敏感特性曲線。 圖2是實施例5、 6、 7、 8壓力敏感材料的壓力敏感特性曲線。圖3是測量壓力敏感特性的實驗原理圖。 圖4是觸覺傳感器結(jié)構(gòu)模型立體圖。 圖5是觸覺傳感器結(jié)構(gòu)模型平面圖。以下通過具體實施方式
，并結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
具體實施方式
實施例l:以炭黑和硅橡膠復(fù)合體系添加納米Si02，按如下重量份配比 單組分室溫固化液態(tài)硅橡膠RTV GD401: 100份；平均粒徑為30 40nm、電阻率為0.2 0.6Q cm的導(dǎo)電炭黑ECP-CB-l: 6份； 粒徑為15 20nm的納米SiO2 : 2份； 密度650 750kg/m3、作為分散劑的蒸餾石腦油8份。 制備過程在常溫、常壓下，將導(dǎo)電炭黑ECP-CB-1與分散劑利用FS-150超聲波處理儀，超聲分 散30 40分鐘后得混合溶液A;將納米Si02粉末添加到混合溶液A中，經(jīng)超聲分散30 40分鐘后，得混合溶液B;將混合溶液B添加到液態(tài)硅橡膠中，超聲分散20 30分鐘得混 合溶液C;將混合溶液C注入觸覺傳感器結(jié)構(gòu)模型中、室溫固化成型，成型時間為64 72 小時。對得到的壓力敏感材料進(jìn)行壓力敏感特性測試，測試的結(jié)果如圖1所示的實施例1特性 曲線。實施例2:以炭黑和硅橡膠復(fù)合體系添加納米Si02，按如下重量份配比單組分室溫固化液態(tài)硅橡膠RTVGD401: 100份、平均粒徑為30 40nm、電阻率為0.2 0.6Q cm的導(dǎo)電炭黑ECP-CB-1: 8份粒徑為15 20nrn的納米Si02 : 3份密度650 750kg/m3、作為分散劑的蒸餾石腦油8.5份。 制備過程同實施例l，對得到的壓力敏感材料進(jìn)行壓力敏感特性測試，測試的結(jié)果如圖 l所示的實施例2特性曲線。 實施例3:以炭黑和硅橡膠復(fù)合體系添加納米Si02，材料成分按如下重量份配比單組分室溫固化液態(tài)硅橡膠RTV GD401: 100份；平均粒徑為30 40nm、電阻率為t).2 0.6Q cm的導(dǎo)電炭黑ECP-CB-1: 9份粒徑為15 20nm的納米Si02 : 4份密度650 750kg/m3、作為分散劑的蒸餾石腦油9份。 制備過程同實施例l，對得到的壓力敏感材料進(jìn)行壓力敏感特性測試，測試的結(jié)果如圖 l所示的實施例3特性曲線。 實施例4:以炭黑和硅橡膠復(fù)合體系添加納米Si02，材料成分按如下重量份配比單組分室溫固化液態(tài)硅橡膠RTV GD401: 100份；平均粒徑為30 40nm、電阻率為0.2 0.6Q cm的導(dǎo)電炭黑ECP-CB-1: 10份； 粒徑為15 20nrn的納米Si02 : 5份； 密度650 750kg/m3、作為分散劑的蒸餾石腦油10份。 制備方法同實施例l，對得到的壓力敏感材料進(jìn)行壓力敏感特性測試，測試的結(jié)果如圖 l所示的實施例4特性曲線。從圖1實施例1、 2、 3、 4壓力敏感材料的壓力敏感特性曲線可以看出，對于特定的實 施例，該壓力敏感材料的電阻率隨著壓力的增加有減小的趨勢，有良好的壓力敏感特性。當(dāng) 壓力保持一定時，隨著導(dǎo)電炭黑ECP-CB-1重量份配比(6 10份范圍內(nèi))的增加，不同實 施例的壓力敏感材料的電阻率逐漸減小，而納米Si02的添加有效提高了導(dǎo)電炭黑ECP-CB-1 在液態(tài)硅橡膠中的分散均勻性，改善了壓力敏感材料的觸覺傳感功能。 實施例5:以炭黑和硅橡膠復(fù)合體系添加納米A1203 ，材料成分按如下重量份配比 單組分室溫固化液態(tài)硅橡膠RTV GD401: 100份；平均粒徑為30 40nm、電阻率為0.2 0.6 Q cm的導(dǎo)電炭黑ECP-CB-1: 6份 粒徑為20 25nm的納米A1203 : 3份 密度650 750kg/m3、作為分散劑的蒸餾石腦油8份。 制備過程在常溫、常壓下，將導(dǎo)電炭黑ECP-CB-1與分散劑利用FS-150超聲波處理儀超聲分散 30 40分鐘后得混合溶液A;將納米Al203粉末添加到混合溶液工A中，超聲分散30 40 分鐘后得混合溶液B;將混合溶液B添加到液態(tài)硅橡膠中，再經(jīng)超聲分散20 30分鐘得混 合溶液C;將混合溶液C注入在觸覺傳感器結(jié)構(gòu)模型中，經(jīng)過室溫固化成型，成型時間為 64 72小時。對得到的壓力敏感材料進(jìn)行壓力敏感特性測試，得出如圖2所示的實施例5特性曲線。 實施例6:以炭黑和硅橡膠復(fù)合體系添加納米A1203 ，材料成分按如下重量份配比單組分室溫固化液態(tài)硅橡膠RTV GD401: 100份；平均粒徑為30 40nm、電阻率為0.2 0.6 Q cm的導(dǎo)電炭黑ECP-CB-1: 8份；粒徑為20 25nm的納米Al203 : 4份密度650 750kg/m3、作為分散劑的蒸熘石腦油8.5份。 制備方法同實施例5，對得到的壓力敏感材料進(jìn)行壓力敏感特性測試，測試的結(jié)果如圖 2所示的實施例6特性曲線。 實施例7:以炭黑和硅橡膠復(fù)合體系添加納米A1203 ，材料成分按如下重量份配比單組分室溫固化液態(tài)硅橡膠RTV GD401: 100份；平均粒徑為30 40nm、電阻率為0.2 0.6Q cm的導(dǎo)電炭黑ECP-CB-1: 9份；粒徑為20 25nrn的納米A1203 : 5份密度650 750kg/m3、作為分散劑的蒸餾石腦油9份。 制備方法同實施例5，對得到的壓力敏感材料進(jìn)行壓力敏感特性測試，測試的結(jié)果如圖 2所示的實施例7特性曲線。 實施例8:以炭黑和硅橡膠復(fù)合體系添加納米A1203 ，材料成分按如下重量份配比 單組分室溫固化液態(tài)硅橡膠RTV GD401: 100份；平均粒徑為30 40nm、電阻率為0.2 0.6Q cm的導(dǎo)電炭黑ECP-CB-h 10份； 粒徑為20 25nm的納米A1203 : 6份 密度650 750kg/m3、作為分散劑的蒸餾石腦油10份。 制備方法同實施例5，對得到的壓力敏感材料進(jìn)行壓力敏感特性測試，測試的結(jié)果如圖 2所示的實施例6特性曲線。制備方法同實施例5，對得到的壓力敏感材料進(jìn)行壓力敏感特性測試，測試的結(jié)果如圖 2所示的實施例8特性曲線。從圖2實施例5、 6、 7、 8壓力敏感材料的壓力敏感特性曲線可以看出，對于特定的實 施例，該壓力敏感材料的電阻率隨著壓力的增加有減小的趨勢，有良好的壓力敏感特性。當(dāng) 壓力以保持一定時，隨著導(dǎo)電炭黑ECP-CB-1重量份配比(6 10份范圍內(nèi))的增加，不同實施例的壓力敏感材料的電阻率逐漸減小。而納米A1203的添加有效提高了導(dǎo)電炭黑 ECP-CB-1在液態(tài)硅橡膠中的分散均勻性，和實施例1、 2、 3、 4相比電阻率減小了一個數(shù)量 級，改善了壓力敏感材料的觸覺傳感功能。圖3為測量壓力敏感特性的實驗原理圖。將厚度為d的樣品1置于對稱的圓形上電極2 與下電極3之間，圓形上電極2和下電極3的面積均為A，壓力N垂直作用于電極的圓心， 以保證樣品受力的均勻性。采用型號為GDM-8145數(shù)字萬用表檢測上電極2與下電極3之間 的電阻值R，利用歐姆定律公式/9-i ^,得出在不同的壓力N作用下的電阻率值P 。參見圖4、圖5，由于本發(fā)明采用液體硅橡膠成型的方法，本發(fā)明材料可以應(yīng)用于任意 設(shè)計的觸覺傳感器結(jié)構(gòu)模型中，圖4為觸覺傳感器結(jié)構(gòu)立體模型，該傳感器為3X3的陣列 式結(jié)構(gòu)。其中V1、 V2和V3引線位于上表面，下表面的引線是a^2a3a4和lMb2b3b4，兩組下 表面引線不在同一層上，取下表面的兩組引線的空間交叉點為陣列點，各交叉點組成了3X 3陣列。參見圖5， VI、 V2和V3引線上各取三個點，分別為下表面各陣列單元的中心點的 對稱點，這樣就組成了一種可以提取特征三維力信息的觸覺傳感結(jié)構(gòu)模型。
權(quán)利要求
1、用于柔性觸覺傳感器的壓力敏感材料，其特征是所述材料以炭黑和硅橡膠復(fù)合體系添加納米SiO2或納米Al2O3為原料，所述原料中各成分按如下重量份配比液態(tài)硅橡膠100份；導(dǎo)電炭黑6～10份；納米SiO22～5份或納米Al2O33～6份；分散劑8～10份。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于柔性觸覺傳感器的壓力敏感材料，其特征是所述液態(tài)硅橡膠為單組分室溫固化液態(tài)硅橡膠RTV GD401 。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于柔性觸覺傳感器的壓力敏感材料，其特征是所述導(dǎo)電炭 黑為ECP-CB-1，其平均粒徑為30 40nm，電阻率為0.2 0.6Q cm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于柔性觸覺傳感器的壓力敏感材料，其特征是所述納米Si02 的粒徑為15 20nm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于柔性觸覺傳感器的壓力敏感材料，其特征是所述納米 A1203的粒徑為20 25nm。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于柔性觸覺傳感器的壓力敏感材料，其特征是所述分散劑 為蒸餾石腦油，密度650 750kg/m3。
7、 用于柔性觸覺傳感器的壓力敏感材料的制備方法，其特征是在常溫、常壓下，將導(dǎo) 電炭黑與分散劑經(jīng)超聲分散后得混合溶液A;將納米Si02粉末或納米A1203粉末添加到混合 溶液A中，再經(jīng)超聲分散后，得混合溶液B;將混合溶液B添加到液態(tài)硅橡膠中，又經(jīng)超 聲分散得混合溶液C;將混合溶液C注入觸覺傳感器結(jié)構(gòu)模型中，室溫下完成固化成型。
全文摘要
用于柔性觸覺傳感器的壓力敏感材料及其制備方法，其特征是所述材料以炭黑和硅橡膠復(fù)合體系添加納米SiO₂或納米Al₂O₃為原料；其制備方法是在常溫、常壓下，依次將各原料混合得混合溶液，將混合溶液注入觸覺傳感器結(jié)構(gòu)模型中，室溫下完成固化成型。本發(fā)明材料兼有良好觸覺傳感功能和柔韌性、適用于任意設(shè)計的觸覺傳感器陣列結(jié)構(gòu)，其方法工藝簡單。
文檔編號C08K3/36GK101260237SQ20081002363
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月11日
發(fā)明者仇懷利, 付秀蘭, 蓓 向, 張玉剛, 敏 王, 英 黃 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)