炭黑/硅橡胶复合材料力敏元件热、力敏感试验研究*

廖　波，季雨坤

（1.浙江工商大学技术与工程管理系，杭州310018；2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州221008）

炭黑/硅橡胶复合材料力敏元件热、力敏感试验研究*

廖波1，2*，季雨坤2

（1.浙江工商大学技术与工程管理系，杭州310018；2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州221008）

在岩土力学与工程领域，大变形测试方法与技术亟待开发。前期研究发现，利用炭黑/硅橡胶导电复合材料研发的力敏元件具有较好的大变形敏感特性。根据研究需要，通过试验方法研究了这种大变形力敏元件的热、力敏感耦合特性。对制作的力敏元件进行了两种加载试验，一是固定拉伸应变下温度循环试验；二是变应变下温度循环试验。试验结果表明，恒定应变下，试样电阻随温度循环而循环，且呈现出电阻松弛现象；应变与温度同时变化时，电阻的变化主要受应变影响，温度影响相对较弱。

大变形；力敏元件；力敏特性；热敏特性；耦合试验

EEACC：7230doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.10.006

在岩土力学与工程领域，室内土工三轴试验、土体模型试验、岩石三轴试验、土工筋带变形等均涉及到大变形测试问题，现有测试仪器与方法已无法满足需求，新型变形测试技术亟待开发。目前常用的变形测试元件主要有普通应变片、光纤传感器以及位移计等，前两者一般存在应变量程过小、模量不匹配等问题，而位移计的尺寸较大，在安装的过程中往往存在问题。

笔者所在团队利用炭黑/硅橡胶导电复合材料研制了力敏元件，试验发现这种力敏元件在较大变形（应变达20%以上）时仍具有较好的敏感特性，是一种较理想的大变形敏感元件［1-2］。团队前期对这种力敏元件进行了大量的试验与理论基础研究工作，包括导电特性与微观机理、大变形特性、可重复性、温度敏感性、压-阻特性等［1-4］，并利用其研发了加筋带变形测试传感器［5-6］。试验发现，该力敏元件同时具有力、热敏感性，且它们之间相互干扰，当其作为大变形测试元件使用时，就必须消除温度干扰。

关于导电复合材料敏感性的研究较多，主要包括压阻特性、热阻特性等研究。Wang等对炭黑充填硅橡胶基复合材料的压阻特性进行了较为系统的研究，分析了炭黑含量对压阻特性的影响，并研究了压力循环荷载下压阻的可重复性等［7-8］。黄英团队对炭黑填充橡胶基导电复合材料的压敏与温度敏感性进行了研究，包括力敏与温度传感器力敏系数［9-10］、电阻-温度模型［11］、力学灵敏度［12］、压阻的非线性［13］等。Knite等研究了炭黑-聚异戊二烯复合材料的拉/压敏感性，研究认为这种材料是一种非常好的柔性敏感元件，可用于车辆振动及危险变形检测［14］。Dang等研究了碳纳米管/硅橡胶导电复合材料的压-阻特性，该材料具有优越的压-阻特性，经拟合处理可获得线性压-阻曲线［15］。

本文利用纳米炭黑充填硅橡胶基体配制导电复合材料，制作力敏元件试样（厚度约为0.1 mm），对其进行热、力荷载耦合试验，研究探讨这种功能材料力敏元件的热、力敏感耦合特性。

1　试验

1.1原材料及薄膜试样制备

原材料及薄膜试样具体制作方法同文献［2］，这里不再赘述，制作的长条形柔性薄膜试样如图1所示，试样尺寸为60 mm×10 mm×0.1 mm。共制作了8种不同配方试样，炭黑含量（相对硅橡胶的质量分数）由4%等比例增加到18%。

图1　试样照片

1.2试验系统与方法

试验系统主要包括加载系统与测试系统，加载系统包括拉伸加载与温度加载，拉伸加载通过小型力学试验机实现，温度加载通过恒温恒湿试验箱实现；测试系统主要是进行温度、应变及电阻测试，温度与电阻测试都采用DateTaker完成，应变数据根据试验机控制系统读出；在试验时，小型力学试验机放置于恒温恒湿箱中，见图2。

图2　试验系统

将不同配方试样安装于小型力学试验机上，进行拉伸加载；恒温恒湿箱根据试验需要进行温度加载。

2　试验结果

2.1恒应变下温度循环

分别对8种配方的炭黑/硅橡胶复合材料薄膜试样进行恒应变下的温度循环试验，首先将各试样进行拉伸，直至应变达到23%后停止；然后开始温度循环加载。图3所示为选取的16%配方试样（C16）在恒应变时温度循环下电阻关于时间的曲线，图中同时给出了温度关于时间的循环曲线（温度在25℃～42℃之间循环）。

图3　恒应变时温度循环下C16试样电阻关于时间的曲线

从图3可知，当温度循环加载时，C16试样电阻也呈现出类似的循环波动，共计进行了10次温度循环加载，电阻也呈现出10次循环波动；另外也可看出，随着循环次数的增加，电阻值整体呈下降趋势，且在循环初期该趋势非常明显，循环后期又逐渐趋于稳定。

对比C16试样在无应变时温度循环曲线，如图4所示，可以观察到明显的不同。图4中10次温度循环下电阻也呈循环波动，整体上也表现出下降趋势，但并不明显。10次循环的前期与后期，电阻整体下降趋势较平稳。

图4　无拉伸应变时温度循环下C16试样电阻关于时间的曲线

为了便于对比图3与图4中的电阻循环曲线，统计各循环电阻峰值，并以第一次电阻峰值为初始值进行电阻变化率计算，得到电阻峰值变化率与循环次数的曲线，见图5。从这个曲线可以明显看出，23%恒应变下的电阻变化率明显大于无应变时。

图5　各温度循环时C16试样电阻峰值相对变化率

另外，仔细观察图3中的曲线，在第一次温度循环上升阶段，电阻出现了先下降再缓慢上升的情况，为观察地更清楚，将此段曲线单独画出，见图6。从图6的曲线可以明显看出温度与电阻变化分为三个阶段：①温度稳定阶段，电阻下降明显；②温度上升阶段，电阻在初期基本稳定，然后缓慢上升，在温度上升后期电阻也基本稳定并有一定的下降趋势；③温度下降阶段，电阻下降明显。由于试验箱温控系统的原因，导致温度在上升与下降时是波动的，这也造成了电阻数据的波动。

图6　恒应变时第一个温度循环下C16试样电阻关于时间的曲线

2.2变应变下温度循环

在对试样进行拉伸的同时，进行温度循环加载；由于温度循环时间控制需较长，故拉伸过程也比较缓慢。这里仍以16%配方C16试样为例，进行说明。如图7所示，为变应变时温度循环荷载下的电阻-时间与温度-时间曲线，拉伸总时间为3 300 s，总应变为23%，温度在25℃～42℃之间循环。

图7　变应变时温度-时间与电阻-时间曲线（C16）

从图7可知，电阻-时间曲线近似一条直线；温度循环波动对电阻的干扰并不明显，在温度谷值与峰值处，都没有观察到明显的电阻波动，而且两个C16试样显示出同样的结果。

从时间上看，拉伸过程是缓慢的，电阻采集频率为1次/100 s；温度的变化也是缓慢的，一个循环周期为3 000 s，温度从25℃升高到42℃需1 500 s，升温速率约为1℃/88 s。缓慢的波动较小的温度变化对电阻的影响是微弱的。

3　结果分析

关于填充型导电复合材料的导电敏感机理尚没有统一的认识，隧道效应理论是目前采用较多的理论。Wang等在对炭黑填充硅橡胶基复合材料的压-阻特性研究中，以隧道效应理论为基础建立了导电压-阻模型［7］：

式中，h为普朗克常数；m、e为电子质量和带电量；φ为势垒高度；S为有效隧道通道平均截面积；N与ω分别为有效导电通路数目和导电粒子间隙，都是关于应力σ的函数；M为一条有效导电通路上的平均导电颗粒数目。此模型较好的解释了试验获得的压-阻特性。由文献［2］的分析可知，压-阻模型同样适应于拉-阻模型，都属于受力变形，材料都因力荷载而产生应变，进而改变导电通路网络，使得电阻率变化。

Sheng P根据电子隧道理论建立了电导率与温度T及隧道效应间距ω之间的关系［16］，该理论同时考虑了热膨胀（即间距ω发生变化）及热量对电子跃迁的扰动两方面对电导率的影响。该理论建立的模型为：

从式（1）知，当复合材料受力变形时，其电阻随着导电粒子的ω的增大而增大：R∝ω·eω；从式（2）知，当复合材料受到温度荷载时，电导率随温度T的增大而增大，随隧道间隙ω的增大而减小，R是ω与T综合的结果：，而由文献［2］中炭黑/硅橡胶复合材料的温度敏感性曲线可知，该复合材料具有正温度系数特性（PTC），由此可见，热荷载下R主要受热膨胀的影响，即隧道间隙ω的改变起到主导作用。力荷载与热荷载作用都会影响到隧道效应间距ω的变化，对R的影响将具有一定的叠加效应。

炭黑/硅橡胶复合材料力敏元件试样以纳米炭黑颗粒作为导电填料，弹性硅橡胶作为基体材料制作而成。硅橡胶是一种典型的高弹性的粘弹性材料，受拉变形后会发生回弹；应变稳定时会发生典型的松弛，且现象明显。以硅橡胶为基体的导电复合材料，其电阻与应变之间的关系同样会出现松弛现象，如图8所示。图8为应变恒定时，电阻-时间及应变-时间曲线，可以明显观察到电阻松弛现象，当拉伸停止应变保持在23%时，电阻没有保持恒定不变，而是呈逐渐下降趋势，并随着时间的推移，趋势逐渐放缓。

图8　C16试样电阻-时间及应变-时间曲线

由式（1）可知，当试样受拉应变增大时，导电颗粒之间的间距ω也将随之增大，电阻增大；拉伸应变恒定后，硅橡胶基体产生回弹，发生松弛现象，而此时ω也将缩小，电阻值随之缩小。当试样电阻处于松弛阶段，给予温度循环荷载时，电阻值将是一个综合的结果。由于松弛ω缩小，电阻减小，如图6中曲线第一阶段。温度升高，产生热膨胀，颗粒间隙ω增大，与松弛作用相反，在升温初期，由热膨胀产生的ω增大与松弛产生的ω缩小相互抵消，电阻值几乎不变；温度继续升高，当热膨胀量大于松弛量时，ω总体上增大，此时电阻值增大，如图6中曲线第二阶段；在温度上升后期，试样吸收的热量逐渐减少，热膨胀变缓，又会出现ω变化相互抵消的情况，电阻值基本不变，如图6中曲线第三阶段。松弛是一个缓慢的过程，而且松弛产生的应变变化也比较小，所以它与热膨胀之间的叠加效应才能明显呈现出来。

当试样受拉，应变变化相对温度上升引起的热膨胀体积变化较快时，热膨胀量相对要小很多，且热膨胀为三维膨胀，拉伸变形为一维变形，这个明显的差距导致叠加效应不明显。如图7中曲线所示，温度上升速率过慢及温度变化幅度较小导致其对电阻的扰动相对拉伸应变扰动要小得多，曲线中只能观察到电阻相对应变的变化趋势。因此，对于大应变下的测试，如果温度波动较小且缓慢，其扰动是可忽略的。

5　结论

①对炭黑/硅橡胶复合材料制作的力敏元件进行了热、力耦合试验研究，了解热荷载与力荷载对其敏感性的耦合影响特性。

②硅橡胶基体的粘弹性导致炭黑/硅橡胶复合材料力敏元件具有电阻松弛现象，应变稳定时电阻不断减小，且趋势逐渐变缓。电阻松弛现象是这种力敏元件的固有特性。

③在力敏元件试样拉伸试验电阻松弛阶段施加温度循环荷载时，试样电阻值变化是两种荷载作用导致体积变形叠加的综合结果，力荷载与热荷载对电阻的影响具有叠加效应。

④炭黑/硅橡胶复合材料制作的力敏元件的力敏与热敏特性是相互影响的。试验分析表明，大应变测试时，如果温度波动较小且较缓慢（比如常规的室温环境下的土工试验），温度扰动可忽略；而对于精度较高的测试，温度干扰必须考虑。

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廖波（1985-），男，博士，现为浙江工商大学技术与工程管理系讲师，2012年毕业于中国矿业大学，主要从事传感功能材料特性及其应用研究，liaobo2003@ cumt.edu.cn；

季雨坤（1991-），男，博士研究生，现为中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室博士研究生，主要从事功能材料应用及岩土工程测试研究，jykcumt@163.com。

Heat and Force-Sensitive Coupling Test of Carbon Black/Silicone Rubber Conductive Composite Force-Sensitive Sensor*

LIAO Bo1，2*，JI Yukun2
（1.Department of Technology and Engineering Management，Zhejiang Gongshang University，Hangzhou 310018，China；2.State Key Laboratory for Geomechanics&Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou Jiangsu 221008，China）

The heat and force-sensitive coupling characteristics of carbon black/silicone rubber composite were studied by experimental methods.Temperature cycle test at a fixed tensile strain and temperature cycle test under varying strain were carried out.The results show that sample resistance cycle with temperature cycling under constant strain and showed a resistance slack at the same time.The resistance change is mainly affected by the strain，and the temperature has a weak influence when the strain and temperature change.

large deformation；force-sensitive element；force sensing properties；thermal sensing properties；coupling test

TP212

A

1004-1699（2016）10-1500-05

项目来源：国家自然科学基金项目（51404210）；中国博士后科学基金项目（2014M551698）；深部岩土力学与国家重点实验室开放基金项目（SKLGDUEK1412）

2016-04-15修改日期：2016-06-03