[发明专利]用于柔性触觉传感器的压力敏感材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及可溶液成型的用于柔性触觉传感器的压力敏感材料及其制备方法。

背景技术

多年来人们不断尝试利用不同的原理以及不同的材料，来研制柔性触觉传感器。如日本Yoji Yamada等在硅橡胶材料内埋入柔性光纤，利用硅橡胶变形产生的压力作用于传感器单元上的原理来研究柔性触觉传感器；株式会社东京大学TLO利用透明弹性体材料和设置在该弹性体内的多个有色标志组构成光学式柔性触觉传感器；韩国国家技术科学院利用光纤光栅传感系统和触觉传感器技术，研究阵列分布结构的柔性触觉传感器；重庆大学采用压电效应原理和PVDF膜材料研制柔性触觉传感器。中科院上海微系统与信息技术研究所利用电容的原理、MEMS技术和有机柔性材料PDMS研制柔性电容式触觉传感器；杭州电子科技大学利用分层分装的原理，采用导电橡胶研制一种阵列式机器人柔性触觉传感器；3M创新有限公司采用电容的原理利用柔性电阻材料膜层研制柔性触觉传感器。

但是，各类已有的柔性触觉传感器共同存在的问题包括：

1、在材料的选择上，材料本身不能兼有良好触觉传感功能和柔韧性，并且成本高；

2、在传感器阵列结构的布置上，由于所选择的材料的限制，对阵列结构要求高，主要适用于刚性、组合式阵列结构，不能适用于任意设计的触觉传感器阵列，适用范围小；

3、在制作工艺上，现有的柔性触觉传感器研究主要是使用MEMS技术和分层安装技术等，制作工艺要求高，成本大。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种兼有良好触觉传感功能和柔韧性、适用于任意设计的触觉传感器阵列结构的用于柔性触觉传感器的压力敏感材料；

本发明同时提供一种工艺简单、用于柔性触觉传感器的压力敏感材料的制备方法。

本发明解决问题采用如下技术方案：

本发明用于柔性触觉传感器的压力敏感材料的特点是所述材料以炭黑和硅橡胶复合体系添加纳米SiO₂或纳米Al₂O₃为原料，所述原料中各成分按如下重量份配比：

液态硅橡胶：100份；

导电炭黑：6～10份；

纳米SiO₂：2～5份或纳米Al₂O₃：3～6份；

分散剂：8～10份。

本发明用于柔性触觉传感器的压力敏感材料的特点也在于：

所述液态硅橡胶为单组分室温固化液态硅橡胶RTV GD401。

所述导电炭黑为ECP-CB-1，其平均粒径为30～40nm，电阻率为0.2～0.6Ω·cm。

所述纳米SiO₂的粒径为15～20nm。

所述纳米Al₂O₃的粒径为20～25nm。

所述分散剂为蒸馏石脑油，密度650～750kg/m³。

本发明用于柔性触觉传感器的压力敏感材料的制备方法的特点是在常温、常压下，将导电炭黑与分散剂经超声分散后得混合溶液A；将纳米SiO₂粉末或纳米Al₂O₃粉末添加到混合溶液A中，再经超声分散后，得混合溶液B；将混合溶液B添加到液态硅橡胶中，又经超声分散得混合溶液C；将混合溶液C注入触觉传感器结构模型中，室温下完成固化成型。

为了有效提高压力敏感材料在触觉传感功能和柔韧性上的兼容性，本发明选用固化成型后柔韧性良好的液态硅橡胶作为基体材料，通过纳米材料掺杂，在保证该材料触觉传感功能的同时更进一步改善其柔软性。本发明采用液体硅橡胶成型的方法，可以将压力敏感材料溶液填充到任意设计的触觉传感器结构模型中经固化成型，极为有效地提高了柔性触觉传感器触觉传感功能和柔韧性的兼容性，适于任意设计的触觉传感器结构。与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明采用液态硅橡胶作为基体材料，固化成型后的硅橡胶本身具有的很好柔韧性，保证了压力敏感材料的柔韧性；

2、本发明采用导电炭黑ECP-CB-1作为导电颗粒，平均粒径为30～40nm，易于在液态硅橡胶中分散；电阻率为0.2～0.6Ω·cm，使压力敏感材料具有良好的压力敏感特性，保证了其具有良好触觉传感的功能；

3、本发明采用掺杂纳米SiO₂或纳米Al₂O₃，有效提高了导电炭黑ECP-CB-1在液态硅橡胶中的分散均匀性，改善了压力敏感材料的触觉传感功能；