鐵基納米晶粉體-橡膠柔性薄膜的力敏特性與力敏機(jī)理研究.pdf

1、應(yīng)力傳感器是目前工程及機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的一類探測工程及機(jī)械結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作狀態(tài)下受力安全性的重要器件,特別是在大型建筑,橋梁,隧道,運(yùn)輸管道等實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域有著非常重要的作用。而探測結(jié)構(gòu)的微應(yīng)力指標(biāo)又是我們評估材料的疲勞、壽命以及材料起始失效的一個(gè)非常重要的信息。本文基于柔性橡膠基體與非晶態(tài)合金應(yīng)力敏感材料開發(fā)一種柔性應(yīng)力敏感薄膜。
　　本文首先分別以丁基橡膠和硅橡膠為復(fù)合力敏薄膜基體材料,以Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B

2、9納米晶粉體和Fe73Si18B9非晶粉體作為應(yīng)力敏感材料,通過機(jī)械共混以及精密鑄壓熱成型分別制備了復(fù)合薄膜。然后較系統(tǒng)地研究了其內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)、理化特點(diǎn)、力敏特性、環(huán)境適應(yīng)性、宏觀及微觀的應(yīng)力分布及變形特性、薄膜的應(yīng)力應(yīng)變非線性本構(gòu)關(guān)系以及應(yīng)力敏感機(jī)理等。并通過薄膜的應(yīng)力阻抗變化關(guān)系來表征其應(yīng)力敏感特性。
　　(1)研究了不同粉體含量的Fe73Si18B9非晶粉體/SiR柔性薄膜在壓應(yīng)力連續(xù)加載/卸載速度條件下的力敏特性。薄膜厚

3、度200μm,Fe73Si18B9粉體粒度為300目,測試頻率為1kHz。研究表明,薄膜在連續(xù)加載/卸載速度不大于0.1mm/min,測試頻率1kHz、壓應(yīng)力0.03~1.0MPa時(shí),具有良好的力敏穩(wěn)定性和靈敏性。薄膜對于小于0.2MPa應(yīng)力更加靈敏,在此應(yīng)力范圍內(nèi),薄膜中粉體含量增加,薄膜的力敏特性變化趨勢相同,但薄膜的力敏敏感度增大。當(dāng)薄膜中粉體含量為83.3wt％,壓應(yīng)力由0.03增大到0.2MPa時(shí),在加載過程中薄膜的SI%由3

4、6.51%增大到82.48%,k值由42.91減小到1.889;當(dāng)應(yīng)力為0.2~0.7MPa時(shí),粉體含量為83.3wt%薄膜的k值在1.889~0.6之間,應(yīng)力繼續(xù)增大至1MPa時(shí),k值逐漸接近0。
　　(2)研究了Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9納米晶粉體/橡膠柔性薄膜的在連續(xù)加載/卸載條件下的力敏特性。對于Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9納米晶粉體/SiR柔性薄膜,研究表明,薄膜粉體含量為35volwt%、厚度

5、200μm的薄膜在測試頻率1kHz下具有優(yōu)異的力敏性能。復(fù)合薄膜在連續(xù)加載/卸載速度不大于0.5mm/min和保壓加載/卸載條件下、測試頻率1kHz、壓應(yīng)力0.2~1.0MPa時(shí),復(fù)合薄膜具有良好的力敏穩(wěn)定性和靈敏性。隨著應(yīng)力σ增大,阻抗Z呈非線性下降,SI%值6%~23%,靈敏精度k值2~0.2,測試標(biāo)準(zhǔn)偏差穩(wěn)定在0.02~0.05,薄膜對于小于0.2Mpa應(yīng)力更加靈敏;對于Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9納米晶粉體/丁基橡膠

6、柔性薄膜,研究表明,復(fù)合薄膜在v=0.1mm/min時(shí),其穩(wěn)定性最好,在加載過程中,應(yīng)力靈敏精度|k|值隨著應(yīng)力的增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢,卸載過程中,k值隨著應(yīng)力的逐漸減小而增大。在1kHz測試頻率下復(fù)合薄膜的力敏特性優(yōu)于50kHz。相同測試條件下,厚度為200μm的復(fù)合薄膜的力敏特性略優(yōu)于150μm。在39.5℃-80℃溫度范圍內(nèi),隨著溫度的升高復(fù)合薄膜的力敏特性越好。
　　(3)本文通過有限元分析了薄膜在拉伸和壓縮應(yīng)力

7、作用下相關(guān)的宏觀和細(xì)觀力學(xué)特征。研究表明,橡膠內(nèi)部的應(yīng)力分布在整個(gè)受力狀態(tài)下都是均勻分布的,而剛性非晶納米晶粉體內(nèi)部的受力狀態(tài)則是非均布的,存在局部應(yīng)力集中的情況,這和粉體顆粒的形狀、大小及所處的位置有關(guān)。對于薄膜的拉伸應(yīng)力的變形情況,總體來說,在薄膜的受力端變形量最大,約束端位移最小,且呈現(xiàn)梯度減小的狀態(tài)。
　　(4)通過采用拉伸和壓縮試驗(yàn)機(jī)對柔性薄膜的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系測量表明,薄膜可以等效為一個(gè)塑性元和一個(gè)粘性元的并聯(lián)結(jié)構(gòu)再與一個(gè)

8、彈性元的串聯(lián)而成的粘彈塑性體。在緩慢的低應(yīng)力作用下,薄膜可以看成是一個(gè)純彈性材料,當(dāng)外應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí),開始發(fā)生塑性變形。同時(shí)在低速載荷下,材料的粘性可以忽略。本文采用米塞斯屈服對該類型薄膜進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的探討,提出了相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系。
　　(5)在力敏機(jī)理研究方面,針對柔性薄膜的阻抗值Z及其分量L、C、和R以及不同時(shí)段的各分量的相位角θ頻率特點(diǎn)分析,對前期關(guān)于鐵基納米晶粉體/橡膠柔性薄膜的等效電路模型進(jìn)行了修正,得出了更為精確