FeCuNbSiB-SiR復合薄膜在壓應力下的力敏特性研究.pdf

1、大型裝備及重點工程領域常需對殼體、管道等曲面異構組件間的連接狀態(tài)、使用過程中的受力情況進行實時檢測，以準確掌握關鍵材料及其部件的使用狀態(tài)、庫存性能等重要信息，從而使曲面異構組件間的接觸應力敏感性能的測量成為力傳感器領域的重要課題。
　　 本文以FeCuNbSiB軟磁粉為功能填充粒子，以三元嵌段有規(guī)共聚硅橡膠為基體材料，采用機械共混和精密鑄壓熱成型方法制備了FeCuNbSiB軟磁粉/硅橡膠柔性力敏復合薄膜（簡稱“FeCuNbSiB

2、/SiR復合薄膜”），較系統地研究了FeCuNbSiB/SiR復合薄膜的制備工藝、微觀結構、理化特性等;并循序漸進地設計和開發(fā)了FeCuNbSiB/SiR復合薄膜在不同加載方式下的力敏特性測試技術和力敏性能表征方法。在此基礎上系統研究了FeCuNbSiB/SiR復合薄膜在不同加載方式下的力敏特性，經大量實驗，優(yōu)化出具有優(yōu)良力敏性能的FeCuNbSiB/SiR復合薄膜，并針對復合薄膜特有的力敏特性，初步探討了FeCuNbSiB/SiR復合

3、薄膜的力敏機制;最后，依據優(yōu)化的力敏薄膜，試制出了柔性接觸應力傳感器原理樣機。本文研究主要取得以下結果:
　　 (1)在復合薄膜制備方面:研究和開發(fā)了以FeCuNbSiB軟磁粉為功能填充粒子、以三元嵌段有規(guī)共聚硅橡膠為基體的FeCuNbSiB/SiR力敏復合薄膜，實驗可制備的復合薄膜尺寸范圍為:長度≤200mm、寬度≤100mm、厚度50μm～2000μm。研究了軟磁粉成分、相結構、粉體粒度及表面性質對復合薄膜物化性能的影響，并

4、對橡膠配方進行優(yōu)化，解決了軟磁粉在橡膠中的均勻分散、橡膠與軟磁粉界面控制、復合薄膜厚度控制等問題。研究表明，FeCuNbSiB/SiR復合薄膜的物理機械性能達到了柔性力敏傳感器要求，其拉伸強度4.73MPa、扯斷伸長率168％、壓縮永久變形量3.28％、回彈性51.8％、紹爾A硬度75度。
　　 (2)在復合薄膜力敏特性測試和性能表征方面:針對壓應力條件下復合薄膜的應力阻抗測試問題，循序漸進地設計開發(fā)了靜態(tài)加載、動態(tài)加載、環(huán)境溫

5、度濕度體系下的加載、靜態(tài)與動態(tài)加載體系下的應力阻抗測試系統，有效地消除了測試系統的不穩(wěn)定、接觸誤差等。經過多次反復實驗，最終確定“LCR測試+感抗補償分析”的方法對復合薄膜的力敏特性進行測試，并用Z-σ標準等效曲線表征復合薄膜的力敏特性，用Z-σ標準等效曲線的標準偏差衡量復合薄膜的力敏穩(wěn)定性，用應力阻抗效應SI％表征復合薄膜力敏靈敏度。優(yōu)化定型后的復合薄膜力敏性能測試體系由TH2816LCR數字電橋、LYYL-500N高檔型微機控制壓力

6、試驗機、感抗補償電路等組成，復合薄膜體系采用電容方式連接。測試表征條件定型為:復合薄膜標準規(guī)格20mm×20mm、測試頻率1kHz、壓應力動態(tài)加載/卸載速度不大于0.5mm/min、壓應力保持加載時間120s。
　　 (3)在復合薄膜力敏特性研究方面:研究表明，在測試頻率小于100kHz范圍內復合薄膜具有良好的力敏特性。隨測試頻率升高，復合薄膜的力敏敏感度下降;隨著壓應力增大，復合薄膜的阻抗值下降，力敏敏感度也隨之下降。在0.1

7、MPa～0.54MPa壓應力范圍內，復合薄膜力敏敏感度增幅最大，且呈線性變化;當壓應力在0.54MPa～1.5MPa范圍內，復合薄膜力敏敏感度增幅漸趨平緩。復合薄膜的厚度、軟磁粉粒徑、含量及其分散均勻性是影響其力敏特性的主要因素，且上述各因素間存在較強的關聯性，其最佳條件的優(yōu)選需結合軟磁粉及其復合薄膜制備工藝的難易程度、可操作性、質量穩(wěn)定性，特別是實際應用對復合薄膜厚度的限制條件進行綜合考慮。通過對復合薄膜力敏特性內外影響因素的優(yōu)化，復

8、合薄膜具有較佳力敏特性所具備的條件為:測試頻率小于100kHz，壓應力小于0.5MPa，FeCuNbSiB軟磁粉粒徑(10～30)μm，且經480℃×1h熱處理，FeCuNbSiB軟磁粉含量在(22.5～35)vol％之間，復合薄膜厚度小于300μm，環(huán)境溫度13℃～50℃。
　　 優(yōu)化后的復合薄膜(FeCuNbSiB軟磁粉含量為27.5vol％、厚度為200±2μm)具有優(yōu)異的應力敏感性能，在連續(xù)加/卸載速率不大于0.5mm/

9、min或保壓條件下，測試頻率1kHz、壓應力0.2MPa～1.0MPa范圍內具有良好的力敏穩(wěn)定性和靈敏性。復合薄膜的SI％值為6％～23％，測試標準偏差穩(wěn)定在0.02～0.05，在小于0.3MPa的壓應力范圍內復合薄膜的力敏特性更優(yōu)。
　　 (4)在復合薄膜力敏機制研究方面:通過對復合薄膜的阻抗值Z及分量L、C、R和相位角θ的頻譜特性分析，復合薄膜在交流測試電路中呈現壓-容和壓-阻特征。整體測試系統的等效電路可以看做是復合薄膜的

10、總電容C與總電阻R并聯后再與電路中的電感L串聯的結構。影響復合薄膜壓-容和壓-阻特性的關鍵因素是復合薄膜模量和粉體含量。研究還發(fā)現，該柔性力敏復合薄膜在測試頻率為50kHz時具有較為顯著的交流阻抗雙逾滲特性。
　　 (5)通過柔性電路印刷及熱壓封裝技術實現了對優(yōu)化后的FeCuNbSiB/SiR柔性力敏復合薄膜的封裝;復合薄膜進行封裝后其應力敏感性能無明顯影響，由此制得的柔性接觸應力傳感器原理樣機具有良好的力敏特性和阻抗蠕變性能。