[发明专利]聚合物应变传感器

说明书

技术领域

本发明涉及应变传感器，特别是微应变传感器，其容易制造并且用于处于应变条件下的结构的连续监测。

背景技术

已经有人提出聚合物应变仪。

美国专利5,989,700公开了压敏油墨的制备，其可用于压力传感器如应变仪的制造，其中电阻指示所施加的压力。所述油墨具有弹性聚合物组分，并且半导体纳米颗粒均匀分散在该聚合物粘合剂中。

美国专利5,817,944公开了用于混凝土结构的应变传感器，其含有导电纤维。

美国专利6079277公开了由聚合物复合材料和炭丝基体组成的应变或应力传感器。

美国专利6276214公开了使用导电颗粒-聚合物配合物的应变传感器。炭黑分散于乙烯-醋酸乙烯共聚物中形成导电聚合物基体。

所有这些聚合物传感器的制造都是通过制备导电颗粒，然后通过溶液或熔融法将其混入聚合物中，然后成膜制成的。然后将该组件粘贴至绝缘的支撑物上，并嵌于要监测的机械结构上。需要将电导线连接至所述传感器。依赖导电膜电阻变化的聚合物应变仪通常不能令人满意，并且由于磁滞现象而导致使用寿命不长。通常优选金属应变仪。

本发明的目的是开发具有改善的性能特性并且低磁滞的聚合物应变传感器。

发明内容

为此，本发明提供了复合聚合物应变传感器，其由不导电聚合物混和低于逾渗阈值的导电纳米颗粒组成，所述导电纳米颗粒优选小于聚合物体积的10％。

与现有技术中的聚合物应变传感器(一般为30％v/v)相比，所述导电颗粒荷载相对低，这意味着与现有技术中的传感器表现出的类金属性相比，所述复合物是半导体性的。

所述聚合物一般是聚酰亚胺材料，所述导电颗粒是不同形态的碳，包括石墨、炭黑和玻璃碳，其具有30-70nm的平均粒径和100-200nm的集料粒度。这种纳米复合材料应变传感器元件与导电轨迹一起可以通过各种流延、印刷、或常规的附着技术被直接印刷或粘附在测试的基体上，使所述元件可以被连接到外部电路。

与现有技术中的聚合物应变传感器(一般为30％v/v)相比，所述导电颗粒荷载相对低，这意味着与现有技术中的传感器表现出的类金属特性相比，所述复合材料是半导体性的。与现有技术中的复合传感器相比，所提出的组合物明显低于逾渗阈值，现有技术中的复合传感器依赖于提供渗流网络的导电颗粒之间的物理接触，并且受到微机械滞后位移的作用。由于复合材料中渗透传导路径的破坏，现有技术的聚合物传感器的传导率量度减小。所述低荷载使所述聚合物复合材料由于高体积载荷造成的微机械特性降低减至最低。

这些复合材料通过电子跳跃(electron hopping)机理显示出增强的电导率。这种系统的电导率特性(温度依赖/形变依赖/电压依赖等)取决于碳颗粒大小、碳纳米颗粒的浓度、以及颗粒间距。当碳纳米颗粒的浓度由1％v/v增至8％v/v时，所述复合结构的电导率从10^-7到10^-2S/cm逐渐变化。因而，这些复合膜在它们的温度特性中是半导体性的，其不用于应变传感，但是由于它们非渗透电子传递机理的特性而被用作极低磁滞应变传感器膜。在这些膜中利用了碳-聚酰亚胺纳米复合材料膜的电性质依赖于形变的变化(其决定性地取决于形变过程中出现的颗粒间隙)以得到应变传感器作为这些膜的用途。

与现有技术的聚合物应变传感器(在零应变下，电导率依赖于导电颗粒的渗流网络的存在)不同，这些碳聚合物纳米复合材料薄膜的电导率关键取决于嵌在(由清晰的颗粒间距分隔的)聚合物基体中的纳米颗粒之间的电子跳跃。这些纳米复合物膜在零应变下的半导体特性还为其电阻的温度依赖提供了补偿机制。

这使得本发明的应变传感器元件(SSE)可以响应：

a)伸展(即拉伸)形变，通过在拉伸应变下颗粒间距扩大导致所述膜的电阻增加，及

b)压缩形变，通过在压缩负载下颗粒间距减小所引起的SSE膜电阻的降低，这与现有技术的基于聚合物的应变传感器不同，其由于渗流网络的存在而对压缩负载不敏感，及

c)扭转形变，依靠其对拉伸形变和压缩形变两者的响应。

此SSE可以容易地以任何形状及大小制造和使用，包括薄或厚膜或任何固体形状，取决于特定的用途及灵敏度的要求。

这些SSE的独特性能使得定量监测成为可能，例如拉伸和压缩形变和力、扭转形变和力、振动、冲击和正弦形变的定量监测。

合适的聚合物是通常用于微电器件中的聚酰亚胺。聚酰亚胺在-270℃至260℃的宽泛温度范围内具有极佳的微机械、化学和电性质。