用作應(yīng)變儀的復(fù)合材料的制作方法
【專利說明】
[0001] 交叉引用相關(guān)申請
[0002] 本申請要求于2013年3月15日提交的美國臨時申請?zhí)?1/789,730、于2013年 6月8日提交的美國臨時申請?zhí)?1/956, 394、于2013年9月9日提交的美國臨時申請?zhí)?61/960, 489、于2013年10月28日提交的美國臨時申請?zhí)?1/961，970的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，運 些申請的全文均包含在本文中，W作參考。
[0003] 聯(lián)邦政府資助的研究
[0004] 根據(jù)由美國國家科學(xué)基金會授予的授權(quán)號碼CMMI-1235365,由美國政府同意支持 構(gòu)成本申請。政府可W在本申請中具有某些權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005] 本描述設(shè)及一種均勻的復(fù)合材料，其在動態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下，響應(yīng)于變形和 放松，顯示了壓電和/或壓阻特性。
【背景技術(shù)】
[0006] 應(yīng)變、沖擊能量W及力量傳感器可W給很多力學(xué)和動力學(xué)應(yīng)用提供重要信息。一 些應(yīng)變儀是壓阻式，運意味著儀表的導(dǎo)電性在壓力下變化。運種應(yīng)變儀需要電流源來操作， 例如，電池。其他應(yīng)變儀是壓電式，運意味著儀表在應(yīng)變下產(chǎn)生電勢，其具有可W測量的電 壓形式。現(xiàn)有應(yīng)變儀按照他們可化測量的應(yīng)變的幅度而受到限制，主要限于1-2%應(yīng)變的應(yīng) 變范圍。此外，很多運種儀表昂貴，并且難W標(biāo)定，將運種儀表的使用限于實驗室設(shè)置。此 外關(guān)注的是偏移現(xiàn)象，其限定為相對于時間或使用量的標(biāo)定功能的數(shù)學(xué)變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 提供了一種彈性復(fù)合材料，其可W用于應(yīng)變儀中，經(jīng)由壓電響應(yīng)測量沖擊和變形 的程度。該復(fù)合材料包括彈性聚合物，具有空隙和導(dǎo)電填料分散在整個彈性聚合物中。復(fù)合 材料提供了意外的現(xiàn)象、對變形的壓電響應(yīng)W及隨著應(yīng)變的增大而減小電阻。運兩個性能 在感測應(yīng)用中具有價值。本材料的主要區(qū)別在于顯示了可預(yù)測并且可重復(fù)的機電響應(yīng)（壓 電和/或壓阻），具有高達(dá)80%或更多的機械應(yīng)變。復(fù)合材料的一些成分沒有偏移。由于 復(fù)合材料具有與很多商業(yè)泡沫相似的機械性能，所W復(fù)合材料可W作為替代或者嵌入現(xiàn)有 商業(yè)產(chǎn)品內(nèi)，而不大幅改變產(chǎn)品的覆蓋區(qū)域或者產(chǎn)品的機械響應(yīng)性能。運種替代或嵌入給 現(xiàn)有產(chǎn)品增加了感知能力。
[0008] 在一個總體方面，一種設(shè)備包括：材料，其包含非層狀混合物，所述混合物具有： 彈性聚合物，其具有多個空隙W及多個導(dǎo)電填料，設(shè)置在所述彈性聚合物內(nèi)。所述導(dǎo)電填料 可W包括導(dǎo)電納米顆粒和/或?qū)щ姺€(wěn)定劑。在另一個總體方面，制造應(yīng)變傳感器的方法包 括混合多個導(dǎo)電納米顆粒和彈性聚合物，W形成具有空隙的均勻復(fù)合材料，所述均勻復(fù)合 材料響應(yīng)于變形產(chǎn)生壓力。在另一個方面，測量壓縮應(yīng)變的方法包括沿著第一軸檢測響應(yīng) 于對包括設(shè)置在整個彈性聚合物中的導(dǎo)電填料和空隙的均勻復(fù)合材料的沖擊生成的電氣 響應(yīng)。所述沖擊可W沿著與所述第一軸不同的第二軸。該方法還包括根據(jù)所述電氣響應(yīng)確 定所述沖擊的變形。
[0009] 在下面的附圖和描述中，陳述了一個或多個實現(xiàn)方式的細(xì)節(jié)。從描述和附圖中，并 且從權(quán)利要求中，其他特征顯而易見。
【附圖說明】
[0010] 圖IA到IC是根據(jù)實現(xiàn)方式的用作應(yīng)變儀的均勻復(fù)合材料的高級示意圖；
[0011] 圖ID和IE是根據(jù)實現(xiàn)方式的用作應(yīng)變儀的均勻復(fù)合材料的顯微圖像；
[0012] 圖2是示出與不同量的導(dǎo)電填料混合的聚氨醋泡沫的能量吸收值和體積百分比 空氣的示圖；
[0013] 圖3A到3C是根據(jù)實現(xiàn)方式的壓電應(yīng)變儀的示意圖；
[0014] 圖4是根據(jù)實現(xiàn)方式的示出使用壓電應(yīng)變儀的系統(tǒng)的一個實例的高級方框圖；
[0015] 圖5是示出復(fù)合材料的一個配方的壓電響應(yīng)與應(yīng)變量之間的線性關(guān)系的示圖；
[0016] 圖6是示出通過重復(fù)的應(yīng)變事件的復(fù)合材料的一個配方的壓電響應(yīng)的電壓特征 的恒有度的示圖； 陽017] 圖7是示出在復(fù)合材料的一個實現(xiàn)方式的沖擊負(fù)荷之下在壓電引起的電壓與測 量力量和加速度之間的關(guān)系的示圖；
[0018] 圖8是根據(jù)實現(xiàn)方式的示出用于制造壓電應(yīng)變儀的一個實例方法的流程圖；
[0019] 圖9是根據(jù)實現(xiàn)方式的示出用于制造用作應(yīng)變儀的均勻復(fù)合材料的一個實例方 法的流程圖；
[0020] 圖10是根據(jù)實現(xiàn)方式的示出用于使用用作應(yīng)變儀的均勻復(fù)合材料測量變形的一 個實例方法的流程圖；
[0021] 圖11是根據(jù)實現(xiàn)方式的示出用于使用用作應(yīng)變儀的均勻復(fù)合材料收集用于重復(fù) 沖擊的電壓數(shù)據(jù)的一個實例方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0022] 在一個總體方面，一種設(shè)備包括均勻的復(fù)合材料，其包括設(shè)置在彈性聚合物泡沫 內(nèi)的多個導(dǎo)電納米顆粒。均勻的復(fù)合材料可W響應(yīng)于變形產(chǎn)生電壓。該設(shè)備還可W包括設(shè) 置在均勻復(fù)合材料內(nèi)的至少一個探針W及禪接到探針的電壓檢測器。該設(shè)備可W用作一個 應(yīng)變儀。該設(shè)備可W包括一個或多個W下特征。例如，多個導(dǎo)電納米顆?？蒞是主要導(dǎo)電 填料，并且均勻的復(fù)合材料可W進(jìn)一步包括次要導(dǎo)電填料。在一些實現(xiàn)方式中，彈性聚合物 泡沫是聚氨醋泡沫基。在一些實施方式中，均勻的復(fù)合材料進(jìn)一步包括涂有導(dǎo)電物質(zhì)的纖 維，例如，涂有儀的碳纖維。在一些實現(xiàn)方式中，所述多個導(dǎo)電納米顆粒包括儀納米線、儀 粉、銀納米導(dǎo)線W及金納米導(dǎo)線中的至少一個。作為另一個實例，該設(shè)備還可W包括：無線 控制器，其可操作地禪接至電壓檢測器；W及計算裝置，其可操作地禪接至無線控制器，計 算裝置被配置為分析由電壓檢測器收集的數(shù)據(jù)。在一些實現(xiàn)方式中，電壓與應(yīng)變率和變形 對應(yīng)。
[0023] 在另一個總體方面，一種設(shè)備包括彈性聚合物；多個導(dǎo)電納米顆粒，其均勻地設(shè)置 在所述彈性聚合物內(nèi)；W及多個空隙，其均勻地設(shè)置在所述彈性聚合物內(nèi)。在變形時，所述 設(shè)備產(chǎn)生沿著第一軸W及沿著與所述第一軸垂直的第二軸可檢測的電氣響應(yīng)。所述設(shè)備還 可W包括一個或多個W下特征。例如，在所述彈性聚合物內(nèi)沉積所述多個導(dǎo)電納米顆粒，可 W限定納米結(jié)，其根據(jù)量子隧穿，產(chǎn)生電氣響應(yīng)。作為另一個實例，該設(shè)備還可W包括：探 針，其設(shè)置在彈性聚合物內(nèi)；W及電壓探測器，其禪接至探針。在一些實現(xiàn)方式中，多個導(dǎo)電 納米顆粒大約是該設(shè)備的重量的1%到25%。在一些實現(xiàn)方式中，多個空隙是高達(dá)該設(shè)備 體積的75%，和/或多個空隙可W具有高達(dá)1000ym的范圍。在一些實現(xiàn)方式中，導(dǎo)電納米 顆粒是主要導(dǎo)電填料，并且該設(shè)備還包括均勻設(shè)置在彈性聚合物內(nèi)的次要導(dǎo)電填料。
[0024] 在另一個總體方面，一種設(shè)備包括包含具有多個空隙的彈性聚合物的非層狀混合 物的材料；多個導(dǎo)電納米顆粒；W及多個導(dǎo)電穩(wěn)定劑。該設(shè)備可W包括一個或多個W下特 征，例如，該材料可W包括具有導(dǎo)電納米顆粒W及設(shè)置在其內(nèi)的導(dǎo)電穩(wěn)定劑的中間區(qū)域，并 且中間區(qū)域沿著第一軸W及與第一軸垂直的第二軸可W是均勻的。作為另一個實例，在壓 縮時，該材料可W造成電阻沿著第一軸減小，并且電阻沿著與第一軸垂直的第二軸減小。在 一些實現(xiàn)方式中，導(dǎo)電納米顆粒是該材料重量的1 %到25 %，并且導(dǎo)電穩(wěn)定劑是該材料重 量的1 %到20%。在一些實現(xiàn)方式中，將多個導(dǎo)電穩(wěn)定劑的量增大為高達(dá)7重量百分比，提 高了材料的能量吸收。
[00巧]在另一個總體方面，一種設(shè)備包括均勻復(fù)合材料，所述均勻復(fù)合材料包含具有多 個空隙的彈性聚合物的非層狀混合物；W及多個導(dǎo)電填料，其設(shè)置在所述彈性聚合物內(nèi)。該 設(shè)備可W包括一個或多個W下特征。例如，在一些實現(xiàn)方式中，多個導(dǎo)電填料包括多個導(dǎo)電 納米顆粒。在一些實現(xiàn)方式中，多個導(dǎo)電填料包括涂有導(dǎo)電物質(zhì)的管體和/或涂有導(dǎo)電物 質(zhì)的纖維。多個導(dǎo)電填料可W包括多個導(dǎo)電涂覆的纖維和多個導(dǎo)電納米顆粒的組合。在一 些實現(xiàn)方式中，在彈性聚合物內(nèi)沉積多個導(dǎo)電填料，可W形成通過該設(shè)備的連續(xù)導(dǎo)電路徑。 在一些實現(xiàn)方式中，在彈性聚合物內(nèi)沉積多個導(dǎo)電填料，其限定納米結(jié)，該納米結(jié)根據(jù)量子 隧穿，產(chǎn)生對壓縮應(yīng)變的電氣響應(yīng)。作為另一個實例，該設(shè)備還可W包括至少兩個探針，其 設(shè)置在所述材料內(nèi)；電流產(chǎn)生的裝置；W及電阻探測器，其禪接至所述至少兩個探針。作為 另一個實例，該設(shè)備還可W包括至少兩個探針，其設(shè)置在所述材料內(nèi)；電壓探測器，其禪接 至所述至少兩個探針；W及存儲器，其操作地禪接至所述電壓探測器。
[00%] 在另一個總體方面，一種用于制造應(yīng)變傳感器的方法包括將多個導(dǎo)電納米顆粒和 彈性聚合物混合，W形成具有空隙的均勻復(fù)合材料，均勻復(fù)合材料響應(yīng)于變形產(chǎn)生電壓。該 方法可W包括一個或多個W下特征。例如，該方法還可W包括固化均勻復(fù)合材料，操作地禪 接固化的材料至電壓探測器，并且操作地禪接電壓探測器至計算裝置。作為另一個實例，該 方法可W包括至少一個探針，其禪接至在模具內(nèi)的導(dǎo)電網(wǎng)格，并且固化在模具內(nèi)的均勻復(fù) 合材料，W便均勻復(fù)合材料至少部分包圍在至少一個探針上的網(wǎng)格。在一些實現(xiàn)方式中， 多個導(dǎo)電納米顆粒表示均勻復(fù)合材料的重量的1%到25%。在一些實現(xiàn)方式中，該方法可 W包括在將多個導(dǎo)電納米顆粒和彈性聚合物混合之前，將多個導(dǎo)電穩(wěn)定劑和彈性聚合物混 合。在一些實現(xiàn)方式中，該方法可W包括將多個導(dǎo)電穩(wěn)定劑和彈性聚合物混合，多個導(dǎo)電穩(wěn) 定劑表示1到25重量百分比。在一些實現(xiàn)方式中，該方法還可W包括將涂有導(dǎo)電物質(zhì)的多 個纖維和彈性聚合物混合。在一些實現(xiàn)方式中，該方法可W包括將涂有導(dǎo)電物質(zhì)的多個纖 維和彈性聚合物混合，該纖維具有在大約0. 1到1毫米的范圍內(nèi)的長度。在一些實現(xiàn)方式 中，該方法可W包括將涂有導(dǎo)電物質(zhì)的多個纖維和彈性聚合物混合，導(dǎo)電物質(zhì)直到涂層纖 維的重量的35%。
[0027] 作為另一個實例，彈性聚合物可W包括第一部和第二部，該方法還可W包括將導(dǎo) 電納米顆粒的第一部分和彈性聚合物的第一部混合，將導(dǎo)電納米顆粒的第二部分和彈性聚 合物的第二部混合，并且由于將彈性聚合物的第一部和彈性聚合物的第二部組合，從而形 成空隙。在一些運種