硅橡胶/多壁碳纳米管复合材料应变感知性能研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.02.001

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (2): 1-6.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.02.001

• 材料与性能 •

硅橡胶/多壁碳纳米管复合材料应变感知性能研究

万帮伟¹^,², 杨洋¹^,²()

^1.昆明理工大学建筑工程学院，昆明 650000
^2.云南省土木工程防灾重点实验室，昆明 650000

收稿日期:2023-08-01 出版日期:2024-02-26 发布日期:2024-02-03
通讯作者: 杨洋（1981—），男，教授，主要从事新型土木工程材料研究，yangyang0416@kust.edu.cn
E-mail:yangyang0416@kust.edu.cn
基金资助:
大宗固废规模化应用关键技术研发及工程示范(202202AG050020)

Strain⁃sensing properties of silicone rubber/multi⁃walled carbon nanotubes composites

WAN Bangwei¹^,², YANG Yang¹^,²()

^1.Faculty of Civil Engineering and Mechanics，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650000，China
^2.Yunnan Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering，Kunming 650000，China

Received:2023-08-01 Online:2024-02-26 Published:2024-02-03
Contact: YANG Yang E-mail:yangyang0416@kust.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

通过开炼法制备出甲基乙烯基硅橡胶（VMQ）/多壁碳纳米管（MWCNT）复合材料，研究MWCNT含量对复合材料分散性能、导电性能及电阻⁃应变响应性能的影响。结果表明：适量的MWCNT能够均匀分散在VMQ中，形成三维隧穿导电网络，使复合材料具备较低的渗流阈值（2.51 %，质量分数，下同），较大的传感范围（>200 %）及高灵敏度（GF>2 546.16），在多次循环过程中具有稳定的电阻响应信号，特别是在4 000次循环中展现出优异的电阻信号稳定性，同时没有出现肩峰现象。通过隧道效应理论模型分析，解释了电阻⁃应变响应机理，明确复合材料具有对大变形隔震支座进行实时应变监测的潜力。

关键词: 多壁碳纳米管, 硅橡胶, 电阻?应变响应, 结构健康监测, 智能传感材料

Abstract:

In this study， a novel type of methyl vinyl silicone rubber （VMQ）/multi⁃walled carbon nanotubes （MWCNT） composites were prepared by using an open⁃mill method， and the effects of MWCNT content on the dispersion， electrical conductivity and resistance⁃strain response of the composites were studied. The results indicated that MWCNT could be uniformly dispersed in VMQ at a certain amount to form a three⁃dimensional tunneling conductive network. This ensures the composites obtained a low percolation threshold of 2.51 wt%， a large sensing range higher than 200 %， and a high sensitivity with a gauge factor higher than 2 546.16）. The composites also present a stable resistance response signal in the process of multiple cycles， especially showing an excellent resistance signal stability without any shoulder peaks during 4 000 cycles. Through the theoretical model analysis of tunnel effect， the resistance⁃strain response mechanism was discussed. The composites exhibit the potential of real⁃time strain monitoring for large deformation isolation bearings.

Key words: multi?walled carbon nanotube, silicone rubber, resistance?strain response, structural health monitoring, smart sensing composite

中图分类号:

TQ321

万帮伟, 杨洋. 硅橡胶/多壁碳纳米管复合材料应变感知性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(2): 1-6.

WAN Bangwei, YANG Yang. Strain⁃sensing properties of silicone rubber/multi⁃walled carbon nanotubes composites[J]. China Plastics, 2024, 38(2): 1-6.

图/表 10

图1 VMQ/MWCNT复合材料制备过程

Fig.1 Preparation process of the VMQ/MWCNT composites

材料	用量
VMQ	4 g
MWCNT	2 %~6 %
SiO₂	10 %
HPMS	15 %
DCP	1 %

表1 复合材料的配方

Tab.1 Formula of the composites

图2 MWCNT不同含量下复合材料的SEM照片

Fig.2 SEM images of the composites with different MWCNT contents

图3 复合材料静态荷载作用下的电阻/应变响应

Fig.3 Resistance/strain response of the composite materials under static load

图4 VMQ/MWCNT复合材料在MWCNT含量为4 %、5 %、6 %，应变为100 %时的电阻⁃应变响应

Fig.4 Resistance⁃strain response of the VMQ/MWCNT composites with MWCNT content of 4 %， 5 % and 6 % and strain of 100 %， respectively

图5 VMQ/MWCNT复合材料在不同应变下的电阻⁃应变响应

Fig.5 Resistance⁃strain response of the VMQ/MWCNT composites under different strains， respectively

图6 VMQ/MWCNT复合材料在不同速率下的电阻⁃应变响应

Fig.6 Resistance⁃strain response of the VMQ/MWCNT composites at different rates

图7 MWCNT复合材料在4 000次循环下的电阻⁃应变响应性能

Fig.7 Resistance⁃strain response performance of the MWCNT composites under 4 000 cycles

图8 （a）~（c）VMQ/MWCNT复合材料整个循环过程的变化示意图及（d）~（f）不同MWCNT含量下的理论预测与实验结果

Fig.8 （a）~（c） Schematic diagram of the change of VMQ/MWCNT composites during the whole cycle；（d）~（f） Theoretical prediction and experimental results of the MWCNT with different contents

MWCNT含量/%	$m$	$ε c$	$n s$	$k 1$	$k 2$	$k$
4	8.32	6.92	-2.75	8.78	4.25	3.98
5	1.92	2.71	-2.43	6.46	37.84	12.82
6	1.39	2.37	-1.75	0.52	79.85	68.42

MWCNT含量/%	$m$	$ε c$	$n s$	$k 1$	$k 2$	$k$
4	8.32	6.92	-2.75	8.78	4.25	3.98
5	1.92	2.71	-2.43	6.46	37.84	12.82
6	1.39	2.37	-1.75	0.52	79.85	68.42

表2 不同VMQ/MWCNT复合材料的ΔR/R0应变曲线拟合后的参数

Tab.2 Parameters after fitting of ΔR/R0 strain curves of different VMQ/MWCNT composites

表2 不同VMQ/MWCNT复合材料的ΔR/R0应变曲线拟合后的参数

Tab.2 Parameters after fitting of ΔR/R0 strain curves of different VMQ/MWCNT composites

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