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膜片式CNT/EP復(fù)合材料壓力傳感器的線性化研究

2020-01-06 06:41孫姚姚袁衛(wèi)鋒
儀表技術(shù)與傳感器 2019年12期
關(guān)鍵詞:膜片變化率碳納米管

孫姚姚,袁衛(wèi)鋒

(西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院,四川綿陽 621010)

0 引言

壓阻效應(yīng)[1]是設(shè)計(jì)和制作壓阻式壓力傳感器的基本理論,材料的電阻在外力作用下發(fā)生變化即為壓阻效應(yīng)。自從20世紀(jì)90年代碳納米管[2]這種新型碳結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)以來,因其典型的一維量子性及其優(yōu)異的力學(xué)[3]、電學(xué)[4]、熱學(xué)[5]等性能而成為學(xué)術(shù)界研究的焦點(diǎn)。有研究表明碳納米管薄膜具有顯著的壓阻效應(yīng),在室溫和500個(gè)微應(yīng)變內(nèi),經(jīng)過化學(xué)修飾的碳納米管薄膜的壓阻因子為120[6],而有碘摻雜的碳納米管膜的壓阻因子可高達(dá)350[7]。壓阻因子作為材料壓阻效應(yīng)的量度,是在單位應(yīng)變下電阻的相對變化。一般金屬材料的壓阻因子為2~12,半導(dǎo)體材料的壓阻因子為5~175,而有機(jī)金屬材料的壓阻因子為100~500[8],以上材料被廣泛應(yīng)用于流量計(jì)、加速度計(jì)、頻率計(jì)以及壓力計(jì)中[9]。

將碳納米管與高分子材料復(fù)合可制得多方面性能良好的新型納米復(fù)合材料[10]。關(guān)于這種納米復(fù)合材料的應(yīng)用,是近年來納米材料研究發(fā)展的新動向[11]。隨著納米級別相關(guān)研究的不斷推進(jìn),越來越多的研究表明,將CNT與高分子、陶瓷和金屬等材料復(fù)合,都能在不同程度上影響基體材料的力學(xué)和電學(xué)性能[12-13]。其中由于碳納米管具有優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)和壓阻效應(yīng),使其在納米電子學(xué)及微型壓力傳感器等方面有巨大的潛在應(yīng)用前景。利用新型納米復(fù)合材料制作壓力傳感器,不僅可以進(jìn)一步減小傳感器尺度和質(zhì)量,而且能夠顯著降低功耗、擴(kuò)大測量范圍以及提高靈敏度,有關(guān)新型壓力傳感器的研究[14]也是近年來的熱點(diǎn)。

但是,壓阻式復(fù)合材料傳感器在具備高靈敏度的同時(shí),其電阻和應(yīng)變之間的關(guān)系常常是非線性的,例如,黃楷焱等[15]制作了一種薄片式碳納米管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料應(yīng)變傳感器,通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在CNT含量處于0.2%~0.8%時(shí),傳感器在低CNT含量時(shí)具有更高敏感性,靈敏度系數(shù)高達(dá)25,但是,該傳感器的電阻變化率和應(yīng)變成非線性關(guān)系,這顯著降低了此類傳感器的使用范圍。同時(shí)具備高靈敏度和高線性度是高性能傳感器應(yīng)該具備的基本特征,因此,復(fù)合材料傳感器的線性化成為研究熱點(diǎn)。童疏影等[16]研制了一種碳納米管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料應(yīng)變傳感器,這種傳感器采用交流電路,應(yīng)變片的損耗角正切變化率和應(yīng)變成近似的線性關(guān)系。

邊界固定的薄膜受側(cè)向壓力時(shí),其應(yīng)變和壓力大小成非線性關(guān)系,同時(shí),CNT/EP復(fù)合材料薄膜的電阻和其應(yīng)變之間也有非線性關(guān)系,因此,本文通過改變CNT/EP復(fù)合材料膜片的幾何形狀,調(diào)整其應(yīng)變和壓力關(guān)系的非線性度,配合CNT/EP復(fù)合材料的非線性壓阻效應(yīng),實(shí)現(xiàn)膜片的電阻-壓力關(guān)系線性化。研究中利用有限元仿真軟件對幾種不同形狀的復(fù)合材料膜片進(jìn)行了受力分析,通過實(shí)驗(yàn)對該模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。本研究為納米復(fù)合材料微壓力傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新的思路和參考。

1 有限元仿真及模型分析

1.1 建模仿真

首先,通過有限元分析軟件對CNT/EP復(fù)合材料膜片進(jìn)行了建模仿真,其中CNT/EP復(fù)合材料薄膜的碳管含量為0.4 wt%(質(zhì)量比)。圖1為5種不同形狀的CNT/EP復(fù)合材料膜片結(jié)構(gòu)。模擬分析中所有模型均采用膜單元,計(jì)算模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:(a)長方形邊長為12 mm×8 mm;(b)菱形邊長為10 mm;(c)正方形邊長為10 mm;(d)圓形直徑為10 mm;(e)橢圓形短軸半徑為8 mm,長軸半徑為12 mm。壓力加載范圍為0~80 kPa。

(a) (b) (c) (d) (e)圖1 CNT/EP復(fù)合材料膜片結(jié)構(gòu)

通過有限元模擬計(jì)算出膜片沿電極方向的最大橫截面上的體積應(yīng)變,以此作為薄膜的等效應(yīng)變,得到復(fù)合材料膜片的壓力與應(yīng)變曲線。不同形狀的CNT/EP復(fù)合材料膜片壓力與應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 CNT/EP復(fù)合材料膜片壓力與應(yīng)變關(guān)系曲線

1.2 模型分析

(1)

式中:p為氣壓值;p0為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力值;A、B、k為常數(shù),可根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果通過曲線擬合得到。

表1為不同形狀膜片壓力與應(yīng)變關(guān)系曲線擬合所得A、B、k的值。

表1 不同形狀膜片對應(yīng)的A、B、k值

碳納米管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料薄膜的電阻和應(yīng)變之間成非線性關(guān)系[16],并且可以用式(2)描述[17]

R=R0eMεa

(2)

于是有

(3)

式中:R0為復(fù)合材料薄膜的初始電阻值;M和a為常數(shù),可根據(jù)碳納米管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料薄膜的電阻變化率與應(yīng)變關(guān)系曲線擬合得到。

圖3 CNT/EP復(fù)合材料膜片應(yīng)變與電阻變化率關(guān)系曲線

根據(jù)CNT/EP復(fù)合材料膜片的ε-p和R-ε關(guān)系,優(yōu)化薄膜受壓時(shí)的ε-p曲線,分別對菱形、長方形、橢圓形、正方形和圓形等5種膜片進(jìn)行了理論分析。不同形狀CNT/EP復(fù)合材料膜片的壓力與電阻變化率關(guān)系曲線如圖4所示。

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圖4 不同形狀CNT/EP復(fù)合材料膜片壓力與電阻變化率關(guān)系曲線

從圖4可以看出,CNT/EP復(fù)合材料膜片的壓力與電阻變化率關(guān)系曲線按照正方形、長方形、橢圓形、圓形和菱形5種膜片形狀斜率依次減小的順序分布。并且在壓力低于20 kPa的時(shí)候,復(fù)合材料膜片的電阻變化率較小。

壓力傳感器的線性度一般用非線性衡量,非線性(NL)是指測量的實(shí)際曲線與擬合直線的最大差值與量程的比值[19]。將圖4所得的復(fù)合材料膜片壓力與電阻變化率關(guān)系線性擬合計(jì)算后,5種形狀膜片所對應(yīng)的非線性值如表2所示。

表2 不同形狀膜片對應(yīng)的非線性值 %

從表2看到5種不同形狀的膜片壓力傳感器中,菱形膜片線性度最好,其非線性仿真值為4.8%,長方形次之,接下來是橢圓形,最后是正方形和圓形。

2 壓力傳感器制作及實(shí)驗(yàn)

2.1 壓力傳感器制作

首先,用碳納米管和環(huán)氧樹脂制備碳納米管環(huán)氧樹脂復(fù)合材料薄膜,具體制作步驟為:

(1)將準(zhǔn)備用于傳感器電極的銅網(wǎng),裁成矩形開口;

(2)用膠帶將準(zhǔn)備好的銅網(wǎng)固定在玻璃平臺上;

(3)將碳納米管混合在預(yù)熱后的環(huán)氧樹脂中,用行星攪拌儀攪拌5 min混合均勻,然后加入固化劑再攪拌5 min;

(4)將最終得到的碳納米管環(huán)氧樹脂復(fù)合材料混合物均勻涂刮在準(zhǔn)備好的銅網(wǎng)上;

(5)調(diào)整銅網(wǎng)位置水平后置于恒溫干燥箱內(nèi),80 ℃固化2 h;

(6)揭去膠帶取下固化好的復(fù)合材料薄膜,將其裁剪成矩形薄片狀。

將已經(jīng)制成的復(fù)合材料膜片試樣粘貼在如圖5(a)所示的具有不同開口形狀的空腔體上,制備成如圖5(b)所示膜片式壓力傳感器。

(a)不同開口形狀的空腔體

(b)壓力傳感器試件圖5 實(shí)驗(yàn)制備膜片式壓力傳感器

2.2 實(shí)驗(yàn)

將制備好的待測復(fù)合材料壓力傳感器放入壓力容器中,兩端引出導(dǎo)線接在LCR上,測試裝置如圖6所示。裝置連接密封好之后,開始以大氣壓為起點(diǎn)逐步往密封容器內(nèi)充氣。常溫下,在0~80 kPa的壓力范圍內(nèi)測試試件的電阻變化。記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),整理后繪制復(fù)合材料壓力傳感器的壓力與電阻變化率關(guān)系曲線如圖7所示。

圖6 測試裝置

圖7 CNT/EP復(fù)合材料壓力傳感器的壓力與電阻變化率關(guān)系曲線

3 數(shù)據(jù)分析

由圖7可知,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與測試結(jié)果具有相同的分布規(guī)律,5種不同形狀的膜片式壓力傳感器電阻變化率隨壓力變化關(guān)系曲線的斜率由大到小依次為:正方形、長方形、橢圓形、圓形和菱形。由實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果看到當(dāng)壓力低于20 kPa時(shí),CNE/EP復(fù)合材料膜片式壓力傳感器的電阻改變率很小,與理論分析所得結(jié)論相符。由圖7可知,在20~80 kPa的壓力范圍內(nèi)復(fù)合材料壓力傳感器具有良好的線性度。工程實(shí)際中,20 kPa的微壓環(huán)境很容易實(shí)現(xiàn),故將20 kPa的氣壓值看作初始壓力值,重新整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),獲得復(fù)合材料壓力傳感器壓力與電阻變化率關(guān)系曲線,如圖8所示。

圖8 復(fù)合材料壓力傳感器的壓力與電阻變化率關(guān)系曲線

同時(shí),計(jì)算不同形狀膜片壓力傳感器的非線性值,如表3所示。

表3 不同形狀膜片壓力傳感器的非線性值 %

由表3可知,5種膜片的壓力傳感器當(dāng)中,菱形膜片壓力傳感器線性度更好。5種形狀的膜片式壓力傳感器實(shí)驗(yàn)測試的非線性度大小分布順序與仿真結(jié)果一致,非線性值從小到大依次為菱形、長方形、橢圓形、正方形和圓形。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種膜片式CNT/EP復(fù)合材料壓力傳感器,首先用有限元法對薄膜受壓情況進(jìn)行理論分析,確定了使該傳感器電阻和壓力成線性關(guān)系的薄膜形狀,然后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明:

(1)CNT/EP復(fù)合材料薄膜壓力傳感器的電阻變化率隨氣壓的增大而增大;

(2)在20~80 kPa的壓力范圍內(nèi),該復(fù)合材料壓力傳感器的電阻和壓力成線性關(guān)系;

(3)在菱形、長方形、橢圓形、正方形和圓形這5種形狀的膜片式復(fù)合材料壓力傳感器中,菱形膜片壓力傳感器線性度更好。

雖然文中理論分析與實(shí)驗(yàn)測試所得復(fù)合材料壓力傳感器的電阻和壓力關(guān)系曲線并沒有很接近,但是二者具有相同的分布規(guī)律和趨勢,理論分析與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果相符。這種具有良好線性度的膜片式CNT/EP復(fù)合材料壓力傳感器為納米復(fù)合材料傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和線性化提供了思路。

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