【正文】 的關系式或參數(shù)。 有效介質(zhì)模型對復合體系整體作了平均化處理 ， 給出的電阻率 填料含量關系可適用于所有含量區(qū)域 ， 但由于它是一種平均場理論 ， 故預期的滲濾閥值比實驗值偏高。并且上述幾種理論模型都在有意無意中過分強 調(diào)了導電物質(zhì)的幾何尺寸因素 ， 并沒有考慮體系的熱力學因素 ， 忽略了基體和填料間界面差異。 在本論文中 所研究的力敏導電硅橡膠 主要選用炭黑作為導電填料， 硅橡膠作為基體的復合材料， 人們從多方面進行了廣泛深 入 的研究，建立了許多數(shù)學模型或物理模型 [3739]，目前比較流行的有兩種理論 ： 一種是宏觀的滲流理論，即導電通路學說 ； 另一種是微觀的量子力學隧道效應理論 (場致發(fā)射理論是其 一種特殊情況 )等。 碳系導電填料，如石墨，炭黑等，是通過本身π電子在高分子體系中遷移形成電流而導電的。 第四章： 通過對 力敏 導電硅橡膠的導電機理的討論， 來 研究 力敏 復合導電硅橡膠的電阻溫度特性 ，并 在實驗的基礎上對改善 力敏導電硅橡膠 的溫度穩(wěn)定性的方法進行分析 。 但 作為柔性觸覺傳感器的基本材料，對其導電機理的研究是十分 必要 的，尤其是根據(jù) 材料導電機理而建立的壓阻模型是研究該傳感器工作特性的 重要 基礎。 合肥工業(yè)大學王敏 [36]等，采用濕法共混法制備 炭黑填充型導電硅橡膠材料，并對其制備方法和性能進行了研究， 探討了各種原材料的選取、配比、工藝 參數(shù)等因素對注射成型導電 橡 膠性能的影響。其覆層材料應用摻有石墨的聚合物，按壓聚合物的時候，電阻發(fā)生變化，內(nèi)部的晶體管就會記錄下變化的數(shù)值，但是這種皮膚的制作工藝比較復雜。 PVDF 是七十年代中期發(fā)現(xiàn)的優(yōu)良的壓電材料，它具有超薄、柔軟、壓電性強、線性好、頻帶寬、效應多等優(yōu)點，與人的皮膚有天然的相似性，這使得制作類似于人類皮膚的動態(tài)柔性觸覺傳感器大大向前邁進了一步。利用金屬應變電阻效應和半導體壓阻效應早在二十世紀五十年代就制成了應變計，當前 力敏 元件已由單純的金屬、合金、半導體、化合物半導體發(fā)展到有機高分子等多種材料。綜觀國內(nèi)外在多維觸覺傳感器領域的研究情況，在現(xiàn)有的設計方案中仍存在著諸多的問題，如造價昂貴、信號處理復雜、柔性差、不適合大面積測量、制作工藝要求高等諸多問題，真正實用的柔性多維觸覺傳感器鮮為人見。這樣的柔性三維力傳感器陣列也稱為智能皮膚 [811]。柔性 觸覺傳感技術的研究經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)取得了較大進步，但還面臨著諸多困難。 the experimental results were also analyzed and discussed. Experimental analyze piezoresistive characteristics of conductive silicone rubber filled with different types of carbon black, different carbon black content received the approach of improving the force sensitivity of pressuresensitive material. The resistance temperature characteristic of pressuresensitive conductive silicone rubber was discussed on the theoretical basis of conductive mechanism. Through filled with different types material, the resistance temperature characteristic experiments of conductive posite were introduced and analyzed. Some methods to improve the resistance temperature characteristic were put forward. Finally by the use of microstructure analysis of pressuresensitive conductive silicone rubber material, the conductive mechanism was further verified and some factors of the production process that impact the electrical properties of pressuresensitive silicone rubber were given. Keywords: Pressuresensitive conductive silicon rubber ； Conductive mechanism；Piezoresistive characteristic； Resistance temperature characteristic； Microstructure analysis 基于新型三維柔性觸覺傳感器的力敏導電硅橡膠導電機理 _研究 1 致 謝 非常 感謝我的導師黃英 副 教授在研究生期間對我的指導、關心和幫助 。 (保密的學位論文在解密后適用本授權書 ) 學位論文作者簽名： 導師簽名： 簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 月 日 學位論文作者畢業(yè)后去向： 工作單位： 電話： 通訊地址： 郵編： 基于新型三維柔性觸覺傳感器的力敏導電硅橡膠導電機理 _研究 1 基于新型三維柔性觸覺傳感器的 力敏 導電硅橡膠導電機理研究 摘 要 炭黑填充導電硅橡膠材料是一種新型 力敏 材料，具有優(yōu)良力學和電學特性、柔韌性好、分辨率高等特點，可用于制作柔性觸覺傳感器。 答辯委員會簽名 主席： 委員： 導師： 基于新型三維柔性觸覺傳感器的力敏導電硅橡膠導電機理 _研究 1 獨 創(chuàng) 性 聲 明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。在導電理論的基礎上分別建立壓阻模型，通過實驗結果的分析對兩種模型進行了討論。 感謝中國科學院合肥智能機械研究所葛運建研究員在我的課題研究階段給予的關心和支持，葛老師對課題提出了很多好的建議，在此表示感謝！ 還有其他 863 課題組的 同學們 都在學習上給我很多的啟發(fā)，同時表示謝意。作為一種新型的導電復合材料， 力敏 導電 硅橡 膠力學性能好，抗干擾能力強，制作的傳感器能達到具有較高的分辨率，是制作柔性觸覺傳感器良好材料 。 多年來人們不斷嘗試從 力敏導電硅橡膠 、 電容、 PVDF (聚偏二氟乙烯 )、光波導等技術出發(fā)來研制機器人 柔性 觸覺傳感器，已經(jīng)取得了一定的成果。 1996 年， Fukang Jiang 等性濕法腐蝕技術與 RIE 干法刻蝕技術相結合的方法，為此他們采用 KOH 各向異制作了一個含有剪切應力傳感器陣列的柔性智能皮膚 [24]。在傳感器中通常利用彈性元件直接感受被測量，作為測量過程最前端，這樣的彈性元件稱為彈性敏感元件，即利用彈性變形實現(xiàn)測量機理的元件就是彈性敏感元件。 除了 PVDF 之外， 力敏導電硅橡膠 也是 一種性能優(yōu)良的柔性觸覺傳感器材料 ，是以導電材料為填充粒子，基體采用膠體的一種復合材料 。 圖 11 應用在機器人手上的電子皮 膚 炭黑填充 型 導電硅橡膠 炭黑填充導電硅橡膠在導電硅橡膠復合材料的各種應用中，比較常見的是利用其力敏或溫敏效應研究開發(fā)的用于各種電子鍵的開關材料、觸感元件、溫敏和力敏傳感器材料。其中 炭黑 填充型 導電硅橡膠導電結構的形成是載流子微觀遷移運動的宏觀體現(xiàn)，決定著復合材料的電性能，受眾多因素的影響，一同繞著它產(chǎn)生了許多理論 主要有 一同繞著它產(chǎn)生了許多理論， 主要有統(tǒng)計滲流、熱力學、有效介質(zhì)和微結構模型 。 炭黑的微觀結構對于導電網(wǎng)絡的形成有著重要的影響 ，通過對導電硅橡膠的微觀結構分析來研究導電炭黑粒子 在硅橡膠中的 分散方式， 是對 導電結構的形成和導電粒子間的導電機制 的 更直觀的反映 ，本文對此進行了一定的探討 。 第六章： 在總結全文的基礎上，對今后的研究工作做出了展望。一是因為炭黑價格低、實用性強；二是因為炭黑能根據(jù)不同的導電要求選擇不同的炭黑，達到不同的效果，電阻率也可以根據(jù)要求 做出 相應的調(diào)整。研究表明 ， 復合型導電高分子材料也存在滲流現(xiàn)象 ，即材料的電導率不是隨導電粒子的體積分數(shù)成正比例地增加 ， 而是當導電粒子的體積分數(shù)增大到某一臨界值時 ， 其電導率突然增加 ， 變化幅度可達 10 個數(shù)量級。 Sumita 的界面熱力學模型考慮到統(tǒng)計模型的缺點 ， 認為“滲濾”實際是一種相分離過程 ， 驅(qū)動力是界面能過剩 ， 推導出滲流閾值公式。并且雙滲流行為在消除 NTC 現(xiàn)象方面也顯示出了獨特的功能 ， 因此相關方面的基于新型三維柔性觸覺傳感器的力敏導電硅橡膠導電機理 _研究 9 研究愈來愈受到人們的關注。當填充量一定時，炭黑在硅橡膠中的分散聚集情況以及它與硅橡膠界面的微觀結構將成為導電網(wǎng)絡性能的決定性因素 ； 而炭黑的微觀結構，諸如 ： 比表面積，顆粒大小及其分布情況，結構的高低等都將對上述決定性因素起作用。 炭黑的比表面積不同，滲流閾值也不同。 式中 S 為炭黑的比表面積， D 為炭黑的粒徑， CB? 為炭黑的體積分數(shù)， P? 為聚合物基體的體積分數(shù)。 有效介質(zhì)普適方程 (GEM方程 )包括了兩個形貌參數(shù) c? 和 t，是由 McLachlan 1987年提出來的 [44]，它是在對稱和不對稱有效介質(zhì)理論的基礎上插值推導出來的， GEM方程的電導率表達式為 : ? ?? ? ? ?? ?? ?111111 1 1 11( 1 ) ( ) 011 tttt hmmt t t tc c m h c c m? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ? ???? ??? ? ? ? （ 23） 在 （ 23） 式中 : ? 是導電顆粒在復合材料中的體積分數(shù) ， c? 是滲流通道形成時導電填料的臨界體積分數(shù)即臨界滲流閾值； 1? 是基體的導電率 ， h? 是導電顆粒的導電率 ， m? 是復合材料的導電率； t 是復合材料的滲流系數(shù)。 GEM 方程已經(jīng)對大量的導電數(shù)據(jù)進行了精確的擬合 [4547]，它有助于對復合材料的電性能預報、預測，并最終達到對導電復合材料的設計和制備。 導電通道 學說關注的是復合材料中導電通道是如何形 成的，主要研究復合材料的電性能與導電填料濃度的關系。實驗發(fā)現(xiàn)電子可以通過隧道結，即電子可以穿過絕緣層， 這種現(xiàn)象稱為隧道效應。認為導電是一個與粒子間隙有關的隧道導電現(xiàn)象 ， 導電雖然與導電網(wǎng)絡的形成有關，但不是靠導電粒子直接接觸來導電，而是熱起伏時電子在粒子中的躍遷造成的，間隙在 10nm 以 內(nèi) 并符合下列關系 ： 200( ) e x p ( / 2 ) ( / 1 )JJ? ? ? ? ? ???? ? ??? (216) 式中 0? 為無外力時間隙之間的場強， ? 為加外力后間隙之間的場強，202/mV? ? ， m 為電子質(zhì)量， 為約化普朗克常數(shù)， 0V 為勢壘高度。 電子 隧道效應理論 很好的 解釋 了 炭黑填充型導電高分子材料 在 炭黑含量較低和外加電壓較小時仍具有導電性的現(xiàn)象，但不能統(tǒng)一在不同炭黑含量下導電高分子材料的導電 機理，尤其在炭黑含量比較高時，大部分炭黑粒子直接接觸，導電高分子復合材料的電流 電 壓特性表現(xiàn)出明顯的歐姆特性 。 圖 31 導電通道在壓力作用下的形成過程 導電通路理論并不沒有微觀導電粒子電學特性的數(shù)學關系，主要是由于導電通路的形成過程和導電鏈的結構比較復雜，尚沒有統(tǒng)一的基本理論公式。在 炭黑含量 臨界體積以上材料以導電通路為主要傳導方式，即滲流理論表現(xiàn)為主導；若導電填料用量較低 和外加電壓較小時，孤立粒子或聚集體的間隙較大而無法參與導電，熱振動受激電子則發(fā)生躍遷，形成較大的隧道電流 ，隧道效應占主導；在滲流閾值區(qū)認為兩種導電機制并重 。 Beek 等認為粒子填充導電復合材料的導電行為是由隧道效應造成的，但認為這是導電粒子內(nèi)部電場發(fā)射的特殊情況。 隧道效應理論在 力敏導電硅橡膠 材料中的應用 滲流理論認為當導電粒子相互接觸或者粒子間隙在 1nm以內(nèi)時才形成導電通路，材料在宏觀上表現(xiàn)為導電現(xiàn)象。而且由于導電鏈狀結構的復雜性，很難對導電通道