FeCuNbSiB-SiR復(fù)合薄膜在壓應(yīng)力下的力敏特性研究.pdf

1、大型裝備及重點工程領(lǐng)域常需對殼體、管道等曲面異構(gòu)組件間的連接狀態(tài)、使用過程中的受力情況進(jìn)行實時檢測，以準(zhǔn)確掌握關(guān)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(gòu)組件間的接觸應(yīng)力敏感性能的測量成為力傳感器領(lǐng)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(jī)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(fù)合薄膜（簡稱“FeCuNbSiB

2、/SiR復(fù)合薄膜”），較系統(tǒng)地研究了FeCuNbSiB/SiR復(fù)合薄膜的制備工藝、微觀結(jié)構(gòu)、理化特性等;并循序漸進(jìn)地設(shè)計和開發(fā)了FeCuNbSiB/SiR復(fù)合薄膜在不同加載方式下的力敏特性測試技術(shù)和力敏性能表征方法。在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)研究了FeCuNbSiB/SiR復(fù)合薄膜在不同加載方式下的力敏特性，經(jīng)大量實驗，優(yōu)化出具有優(yōu)良力敏性能的FeCuNbSiB/SiR復(fù)合薄膜，并針對復(fù)合薄膜特有的力敏特性，初步探討了FeCuNbSiB/SiR復(fù)合

3、薄膜的力敏機(jī)制;最后，依據(jù)優(yōu)化的力敏薄膜，試制出了柔性接觸應(yīng)力傳感器原理樣機(jī)。本文研究主要取得以下結(jié)果:
　　 (1)在復(fù)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(fù)合薄膜，實驗可制備的復(fù)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(jié)構(gòu)、粉體粒度及表面性質(zhì)對復(fù)合薄膜物化性能的影響，并

4、對橡膠配方進(jìn)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(fù)合薄膜厚度控制等問題。研究表明，F(xiàn)eCuNbSiB/SiR復(fù)合薄膜的物理機(jī)械性能達(dá)到了柔性力敏傳感器要求，其拉伸強(qiáng)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(fù)合薄膜力敏特性測試和性能表征方面:針對壓應(yīng)力條件下復(fù)合薄膜的應(yīng)力阻抗測試問題，循序漸進(jìn)地設(shè)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(yīng)力阻抗測試系統(tǒng)，有效地消除了測試系統(tǒng)的不穩(wěn)定、接觸誤差等。經(jīng)過多次反復(fù)實驗，最終確定“LCR測試+感抗補(bǔ)償分析”的方法對復(fù)合薄膜的力敏特性進(jìn)行測試，并用Z-σ標(biāo)準(zhǔn)等效曲線表征復(fù)合薄膜的力敏特性，用Z-σ標(biāo)準(zhǔn)等效曲線的標(biāo)準(zhǔn)偏差衡量復(fù)合薄膜的力敏穩(wěn)定性，用應(yīng)力阻抗效應(yīng)SI％表征復(fù)合薄膜力敏靈敏度。優(yōu)化定型后的復(fù)合薄膜力敏性能測試體系由TH2816LCR數(shù)字電橋、LYYL-500N高檔型微機(jī)控制壓力

6、試驗機(jī)、感抗補(bǔ)償電路等組成，復(fù)合薄膜體系采用電容方式連接。測試表征條件定型為:復(fù)合薄膜標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格20mm×20mm、測試頻率1kHz、壓應(yīng)力動態(tài)加載/卸載速度不大于0.5mm/min、壓應(yīng)力保持加載時間120s。
　　 (3)在復(fù)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(nèi)復(fù)合薄膜具有良好的力敏特性。隨測試頻率升高，復(fù)合薄膜的力敏敏感度下降;隨著壓應(yīng)力增大，復(fù)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(yīng)力范圍內(nèi)，復(fù)合薄膜力敏敏感度增幅最大，且呈線性變化;當(dāng)壓應(yīng)力在0.54MPa～1.5MPa范圍內(nèi)，復(fù)合薄膜力敏敏感度增幅漸趨平緩。復(fù)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(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，其最佳條件的優(yōu)選需結(jié)合軟磁粉及其復(fù)合薄膜制備工藝的難易程度、可操作性、質(zhì)量穩(wěn)定性，特別是實際應(yīng)用對復(fù)合薄膜厚度的限制條件進(jìn)行綜合考慮。通過對復(fù)合薄膜力敏特性內(nèi)外影響因素的優(yōu)化，復(fù)

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(yīng)力小于0.5MPa，F(xiàn)eCuNbSiB軟磁粉粒徑(10～30)μm，且經(jīng)480℃×1h熱處理，F(xiàn)eCuNbSiB軟磁粉含量在(22.5～35)vol％之間，復(fù)合薄膜厚度小于300μm，環(huán)境溫度13℃～50℃。
　　 優(yōu)化后的復(fù)合薄膜(FeCuNbSiB軟磁粉含量為27.5vol％、厚度為200±2μm)具有優(yōu)異的應(yīng)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(yīng)力0.2MPa～1.0MPa范圍內(nèi)具有良好的力敏穩(wěn)定性和靈敏性。復(fù)合薄膜的SI％值為6％～23％，測試標(biāo)準(zhǔn)偏差穩(wěn)定在0.02～0.05，在小于0.3MPa的壓應(yīng)力范圍內(nèi)復(fù)合薄膜的力敏特性更優(yōu)。
　　 (4)在復(fù)合薄膜力敏機(jī)制研究方面:通過對復(fù)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(fù)合薄膜在交流測試電路中呈現(xiàn)壓-容和壓-阻特征。整體測試系統(tǒng)的等效電路可以看做是復(fù)合薄膜的

10、總電容C與總電阻R并聯(lián)后再與電路中的電感L串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。影響復(fù)合薄膜壓-容和壓-阻特性的關(guān)鍵因素是復(fù)合薄膜模量和粉體含量。研究還發(fā)現(xiàn)，該柔性力敏復(fù)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(shù)實現(xiàn)了對優(yōu)化后的FeCuNbSiB/SiR柔性力敏復(fù)合薄膜的封裝;復(fù)合薄膜進(jìn)行封裝后其應(yīng)力敏感性能無明顯影響，由此制得的柔性接觸應(yīng)力傳感器原理樣機(jī)具有良好的力敏特性和阻抗蠕變性能。