鐵基納米晶粉體-橡膠柔性薄膜的力敏特性與力敏機理研究.pdf

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

2、9納米晶粉體和Fe73Si18B9非晶粉體作為應力敏感材料,通過機械共混以及精密鑄壓熱成型分別制備了復合薄膜。然后較系統(tǒng)地研究了其內部的組織結構、理化特點、力敏特性、環(huán)境適應性、宏觀及微觀的應力分布及變形特性、薄膜的應力應變非線性本構關系以及應力敏感機理等。并通過薄膜的應力阻抗變化關系來表征其應力敏感特性。
　　(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、壓應力0.03~1.0MPa時,具有良好的力敏穩(wěn)定性和靈敏性。薄膜對于小于0.2MPa應力更加靈敏,在此應力范圍內,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。當薄膜中粉體含量為83.3wt％,壓應力由0.03增大到0.2MPa時,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;當應力為0.2~0.7MPa時,粉體含量為83.3wt%薄膜的k值在1.889~0.6之間,應力繼續(xù)增大至1MPa時,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、壓應力0.2~1.0MPa時,復合薄膜具有良好的力敏穩(wěn)定性和靈敏性。隨著應力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,測試標準偏差穩(wěn)定在0.02~0.05,薄膜對于小于0.2Mpa應力更加靈敏;對于Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9納米晶粉體/丁基橡膠

6、柔性薄膜,研究表明,復合薄膜在v=0.1mm/min時,其穩(wěn)定性最好,在加載過程中,應力靈敏精度|k|值隨著應力的增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢,卸載過程中,k值隨著應力的逐漸減小而增大。在1kHz測試頻率下復合薄膜的力敏特性優(yōu)于50kHz。相同測試條件下,厚度為200μm的復合薄膜的力敏特性略優(yōu)于150μm。在39.5℃-80℃溫度范圍內,隨著溫度的升高復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力

7、作用下相關的宏觀和細觀力學特征。研究表明,橡膠內部的應力分布在整個受力狀態(tài)下都是均勻分布的,而剛性非晶納米晶粉體內部的受力狀態(tài)則是非均布的,存在局部應力集中的情況,這和粉體顆粒的形狀、大小及所處的位置有關。對于薄膜的拉伸應力的變形情況,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機對柔性薄膜的應力應變關系測量表明,薄膜可以等效為一個塑性元和一個粘性元的并聯(lián)結構再與一個

8、彈性元的串聯(lián)而成的粘彈塑性體。在緩慢的低應力作用下,薄膜可以看成是一個純彈性材料,當外應力達到屈服點時,開始發(fā)生塑性變形。同時在低速載荷下,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行了應力應變關系的探討,提出了相應的本構關系。
　　(5)在力敏機理研究方面,針對柔性薄膜的阻抗值Z及其分量L、C、和R以及不同時段的各分量的相位角θ頻率特點分析,對前期關于鐵基納米晶粉體/橡膠柔性薄膜的等效電路模型進行了修正,得出了更為精確