基于高压固化动力学构建梯度-褶皱型多孔柔性传感器的研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文

摘要

柔性压力传感器在生物医学、人体运动监测、仿生机器人等领域具有广泛的

应用前景，越来越受到人们的重视。目前，已开展了许多关于传感器灵敏度和工

作响应范围等方面的研究工作，但灵敏度高、工作响应范围宽以及制备方法简易

的柔性压力传感器仍然是研究热点。本论文首先通过高压差示扫描量热仪（HP-

DSC）系统地研究了过氧化物固化硅橡胶（SR）体系在高压CO环境中的固化反

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应。研究发现，在6MPaCO条件下，由于CO压力和溶剂化的双重作用，固化

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反应分阶段进行。压力作用对固化反应初始阶段有促进作用，对反应后期有抑制

作用。此外，CO2的溶剂化作用会促进固化反应。采用高斯分峰拟合法研究固化

反应过程中发生的“双峰”现象并分别计算了6MPaCO条件下两个阶段反应的

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动力学参数。根据上述研究结果，本文创新性地提出了原位固化-超临界CO2发

泡技术，用于制备具有孔结构可调的硅橡胶泡沫（SRF）。该方法不仅缩短了CO2

的饱和时间，还加快了SR预固化过程。此外，通过调控原位预固化时间、饱和

压力和发泡温度，成功制备了孔径范围为9.45μm~128.09μm、孔密度范围为

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3.5×10cells/cm~5.7×10cells/cm、孔隙率范围为28.35%~77.28%的SRF样品。

为了保证SRF样品的尺寸稳定性和优化表面质量，在模具内进行了原位后固化工

艺。随着泡孔尺寸从128.09μm减小到9.91μm，75%应变时的压应力从0.61MPa

增加至2.19MPa。循环压缩测试表明，随着泡孔孔径增大，能量损失系数从

35.4%减小到16.9%，表现出良好的压缩恢复稳定性。

受到大自然的启发，在上述方法的基础上，提出了温度场定向诱导硅橡胶原

位固化的策略和膨胀-释放的策略，分别制备出具有梯度泡孔结构的SRF和具有

泡孔内壁褶皱结构的SRF。通过不同温度和时间的组合，利用不同温度的传导差

异，构建了不同梯度变化的梯度泡孔结构SRF。此外，通过控制固化程度以及应

力释放时间的工艺参数，成功地制备出具有不同褶皱波长的褶皱型SRF。随着应

力释放时间从0h延迟至3h，泡孔内壁从无褶皱变化到褶皱波长为1.52μm。固

化程度对褶皱程度有较大的影响。实验结果表明，当固化度从16.13%增加到

37.68%，褶皱波长从0.71μm增加到1.72μm。对梯度/褶皱泡孔结构硅橡胶泡沫

的压缩性能、循环稳定性和永久压缩变形率进行了探究。实验结果表明，具有梯

度泡孔结构的样品在75%应变下的压缩强度高达1.83MPa，在50次50%应变下

的循环压缩后，能量损耗率仅有15.1%，具有优异的循环稳定性。此外，具有褶

皱泡孔结构的样品的压缩强度更加优异，压缩强度随着褶皱波长的增加逐渐增

IV

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加。说明褶皱结构的自增强作用，以及能量收集的特性。

通过原位固化-超临界CO2发泡法成功制备了兼具梯度孔结构和褶皱泡孔结

构的多孔柔性传感器（G-W传感器）。测试结果表明，G-W传感器在0~10kPa压

力区间具有优异的灵敏度（S=0.1255kPa-1），同时具有较低的检测限（＜10

kPa）、较宽的工作响应范围（＞600kPa）、出色的稳定性和耐用性（γ＜

0.021）。此外，能够对不同的应力和应变进行准确的响应。传感器的响应恢复时

间都小于200ms，具有较快的响应速度。在实际应用中，G-W传感器能够实时监

测人体动作信号，表明其在信号监测等领域具有广泛的应用前景。

关键词：硅橡胶；高压固化动力学；超临界