用于研究导电高分子复合材料压阻特性的四线测量法

技术领域

本发明涉及一种用于研究导电高分子复合材料压阻特性的四线测量法，属于传感器技术领域。

背景技术

随着科技的发展，在很多现代工程应用领域都迫切需要能够完成压力测量的柔软传感器。导电高分子 复合材料具有柔软性和压阻特性，故而这种复合材料可作为柔软压力传感器的敏感材料。近些年来，很多 科研机构都致力于研究基于这种材料的柔软压力传感器。导电高分子复合材料作为一种新型功能材料，其 压阻效应非常复杂，对其压阻特性与机理的深入研究是成功研制柔软传感器的核心与关键，因此，导电高 分子复合材料压阻效应研究成为了国际上的研究热点。目前，绝大多数导电高分子复合材料试样都采用两 线法测量其压阻特性，但是，由于导电高分子复合材料与电极之间存在接触电阻，因此，在压阻数据获取 时，无法区分接触电阻与导电高分子复合材料本身的电阻，进而影响对其压阻特性与机理的研究。有一些 研究机构采用四线法对拉伸状态下的导电高分子复合材料试样的拉力-电阻特性进行测试与研究，可以有 效地减小接触电阻的不利影响。但是，这种方法无法应用到对压缩状态下的导电高分子复合材料压阻特性 的测量。因此，为了更准确地研究导电高分子复合材料的压缩压阻特性，进而提高基于这种材料的柔软压 力传感器的测量精度，亟需一种既能够有效地消除接触电阻的不利影响，又能够适用于导电高分子复合材 料在压缩过程中的压阻特性测量的方法。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种用于研究导电高分子复合材料压阻特性的四线 测量法。本发明所述的四线测量法是基于一种包括两个电流端和两个电压端的四线式压阻试样，该元件由 底层组件、中间层组件和顶层组件三部分构成；测量四线式压阻试样压阻特性时，将施力压块放置在顶层 组件之上，将四线式压阻试样的两个电流端接到恒流源、将四线式压阻试样的两个电压端接入具有高输入 阻抗的电压测量装置，这种连接方式可消除接触电阻对测量精度带来的不利影响，从而更准确地研究导电 高分子复合材料的压阻特性与机理，进而为研制基于导电高分子复合材料的柔软压力传感器提供技术基础 和理论依据。

本发明所述的四线式压阻元件的制备方法，包括以下步骤：

(1)、底层组件是通过在一块绝缘刚性板上覆合正方形铜箔电极制备而成，该铜箔电极即作为四线式 压阻试样的第一个电流端；中间层组件是通过在一块中心部位具有矩形通透槽的绝缘刚性板中设置一根金 属引线制备而成，矩形通透槽的宽度与底层组件的正方形铜箔电极的边长相同，矩形通透槽的长度比底层 组件的正方形铜箔电极的边长略长，所述金属引线在靠近矩形通透槽的一侧伸出一部分，伸出部分的长度 与底层组件的正方形铜箔电极的边长之和等于中间层组件的矩形通透槽的长度，该金属引线即作为四线式 压阻试样的第一个电压端；顶层组件是通过在一块绝缘刚性板上覆合两部分互相绝缘的电极制备而成，绝 缘刚性板的底面为矩形，其长和宽与中间层组件的矩形通透槽相同，两部分互相绝缘的电极分别作为四线 式压阻试样的第二个电流端和第二个电压端；顶层组件的电流端为正方形铜箔电极，其边长与底层组件的 正方形铜箔电极的边长相同；顶层组件的电压端为靠近绝缘刚性板边缘位置的金属引线，该电压端略超出 顶层组件底面；

(2)、将底层组件和中间层组件叠放在一起，且保证底层组件的正方形铜箔电极的一侧与中间层组件 的矩形通透槽的一个边缘重合；将一块有机玻璃切割成长方体，该长方体型有机玻璃底面为正方形，边长 与底层组件的正方形铜箔电极的边长相同，高度与中间层组件的矩形通透槽的高度相同，将长方体型有机 玻璃放入中间层组件的矩形通透槽中，且保证所述长方体型有机玻璃的底面与底层组件的正方形铜箔电极 完全重合；将聚二甲基硅氧烷、交联剂和有机溶剂按一定比例混合，在机械搅拌的作用下形成聚二甲基硅 氧烷胶状物，将其灌入长方体型有机玻璃和中间层组件的矩形通透槽之间的缝隙处，待聚二甲基硅氧烷硫 化成型后，抽离长方体型有机玻璃；在硫化后的二甲基硅氧烷薄层的顶端位置开豁口，其尺寸与顶层组件 上的电压端超出顶层组件底面的部分的尺寸相同；

(3)、将导电粉末和液态高分子材料按一定比例混合，并将有机溶剂加入到混合体中，对导电粉末/ 高分子材料/有机溶剂混合溶液进行大功率机械搅拌，同时辅以超声振荡，使导电粉末在混合溶液中分散， 在交联剂的作用下，形成导电高分子复合材料胶状物；将所述的导电高分子复合材料胶状物灌入中间层组 件的矩形通透挖槽里；将顶层组件叠放在中间层组件之上，使顶层组件上的电流端与导电高分子复合材料 胶状物相接触，并使顶层组件上的电压端超出顶层组件的底面的部分嵌入所述的聚二甲基硅氧烷薄层的顶 层位置的豁口，用夹持器保持顶层组件始终保持水平，待导电高分子复合材料胶状物硫化成型后，撤去夹 持器，即完成四线式压阻试样的制备。

本发明的特点及效果：

1、本发明研制的四线式压阻试样，两个电流端与导电高分子复合材料的接触电阻在恒流源回路，不会引 入误差；两个电压端与导电高分子复合材料之间的接触电阻在高输入阻抗的回路中，也不会带来误差；因 此，可实现对导电高分子复合材料压阻特性的精确测量。

2、本发明研制的用于研究导电高分子复合材料压阻特性的四线测量法，适用于研究处于压缩过程中的导 电高分子复合材料的压阻特性，其设计思想还可应用于基于导电高分子复合材料压阻效应的传感器探头的 研制中，进而应用于实现大型工业与国防设备的狭小曲面层间压力测量和研制人工电子皮肤等工程领域。

附图说明

图1为四线式压阻试样底层组件结构示意图。

图1(1)为四线式压阻试样底层组件的俯视图。

图1(2)为四线式压阻试样底层组件的剖面图。

图2为四线式压阻试样中间层组件结构示意图。

图2(1)为四线式压阻试样中间层组件的俯视图。

图2(2)为四线式压阻试样中间层组件的剖面图。

图3为四线式压阻试样顶层组件结构示意图。

图3(1)为四线式压阻试样顶层组件的左视图。

图3(2)为四线式压阻试样顶层组件的剖面图。

图3(3)为四线式压阻试样顶层组件的右视图。

图4为四线式压阻试样制备流程示意图。

图5为四线式压阻试样压阻特性测量的连接方法示意图。

图1到图5中，1代表四线式压阻试样底层组件的绝缘刚性极，2代表位于四线式压阻试样底层组件上的 正方形铜箔电极，3代表四线式压阻试样中间层组件的绝缘刚性板，4代表四线式压阻试样中间层组件的 矩形通透槽，5代表位于四线式压阻试样中间层组件的金属丝，6代表四线式压阻试样顶层组件的绝缘刚 性板，7代表位于四线式压阻试样顶层组件的电流端，8代表位于四线式压阻试样顶层组件的电流端与导 电高分子复合材料接触的部分，9代表位于四线式压阻试样顶层组件的电压端，10代表聚二甲基硅氧烷薄 层，11代表导电高分子复合材料胶状物，12代表硫化后的导电高分子复合材料，13代表压块，14代表四 线式压阻试样顶层组件上的电流端的引出导线，15代表四线式压阻试样底层组件上的电流端的引出导线， 16代表恒流源，17代表四线式压阻试样顶层组件上的电压端的引出导线，18代表四线式压阻试样中间层 组件上的电压端的引出导线，19代表高输入阻抗的电压测量装置。

具体实施方式

本发明提出的用于研究导电高分子复合材料压阻特性的四线测量法，结合图1-5说明如下：

(1)、底层组件是通过在一块绝缘刚性板上覆合正方形铜箔电极制备而成，该铜箔电极即作为四线式 压阻试样的第一个电流端；中间层组件是通过在一块中心部位具有矩形通透槽4的绝缘刚性板3中设置一 根金属引线5制备而成，如图2所示，中间层组件的矩形通透槽4的宽度与底层组件的正方形铜箔电极2 的边长相同，中间层组件的矩形通透槽4的长度比底层组件的正方形铜箔电极2的边长略长，所述金属引 线5在靠近中间层组件的矩形通透槽4的一侧伸出一部分，伸出部分的长度与底层组件的正方形铜箔电极 2的边长之和等于中间层组件的矩形通透槽4的长度，该金属引线5即作为四线式压阻试样的第一个电压 端；顶层组件是通过在一块绝缘刚性板上覆合两部分互相绝缘的电极制备而成，如图3所示，绝缘刚性板 的底面为矩形，其长和宽与中间层组件的矩形通透槽4相同，两部分互相绝缘的电极分别作为四线式压阻 试样的第二个电流端和第二个电压端；顶层组件的电流端为正方形的铜箔电极8，其边长与底层组件的正 方形铜箔电极2的边长相同；顶层组件的电压端为靠近绝缘刚性板边缘位置的金属引线9，该电压端略超 出顶层组件底面；

(2)、将底层组件和中间层组件叠放在一起，且保证底层组件的正方形铜箔电极2的一侧与中间层组 件的矩形通透槽4的一个边缘重合，如图4(1)所示；将一块有机玻璃切割成长方体，该长方体型有机玻 璃的底面为正方形，边长与底层组件的正方形铜箔电极2的边长相同，高度与中间层组件的矩形通透槽4 的高度相同，将长方体型有机玻璃放入中间层组件的矩形通透槽4中，且保证所述长方体型有机玻璃的底 面与底层组件的正方形铜箔电极2完全重合；将聚二甲基硅氧烷、交联剂和有机溶剂按一定比例混合，在 机械搅拌的作用下形成聚二甲基硅氧烷胶状物，将其灌入长方体型有机玻璃和中间层组件的矩形通透槽4 之间的缝隙处，待聚二甲基硅氧烷硫化成型后，抽离长方体型有机玻璃；在硫化后的二甲基硅氧烷薄层的 顶端位置开豁口，其尺寸与顶层组件上的电压端超出顶层组件底面的部分的尺寸相同；

(4)、将导电粉末和液态高分子材料按一定比例混合，将有机溶剂加入到混合体中，对导电粉末/高 分子材料/有机溶剂混合溶液进行大功率机械搅拌，同时辅以超声振荡，使导电粉末在混合溶液中分散， 在交联剂的作用下，形成导电高分子复合材料胶状物；将所述的导电高分子复合材料胶状物11灌入中间 层组件的矩形通透挖槽4里，如图4(2)所示；将顶层组件叠放在中间层组件之上，使顶层组件上的电流 端7与导电高分子复合材料胶状物11相接触，并使顶层组件上的电压端9超出顶层组件的底面的部分嵌 入所述的聚二甲基硅氧烷薄层10的顶层位置的豁口，用夹持器保持顶层组件始终保持水平，待导电高分 子复合材料胶状物硫化成型后，撤去夹持器，即完成四线式压阻试样的制备，如图4(3)所示。

(4)、测量四线式压阻试样压阻特性时，将施力压块13放置在顶层组件之上，将四线式压阻试样的 两个电流端接到恒流源16的两端、将四线式压阻试样的两个电压端接入具有高输入阻抗的电压测量装置 19，如图5所示。

实施例1

(1)、底层组件是通过在一块酚醛层压纸板上覆合正方形铜箔电极制备而成，该铜箔电极作为四线式 压阻试样的第一个电流端，其边长为60毫米；中间层组件是通过在一块中心部位具有矩形通透槽的酚醛 层压纸板中设置一根金属引线制备而成，中间层组件的矩形通透槽的宽度与底层组件的正方形铜箔电极的 边长相同，中间层组件的矩形通透槽的长度为61毫米，中间层组件的矩形通透槽的高度为20毫米，所述 金属引线在靠近中间层组件的矩形通透槽的一侧伸出一部分，伸出部分的长度为0.5毫米，该金属引线即 作为四线式压阻试样的第一个电压端；顶层组件是通过在一块酚醛层压纸板上覆合两部分互相绝缘的电极 制备而成，酚醛层压纸极的底面为矩形，其长和宽与中间层组件的矩形通透槽相同，两部分互相绝缘的电 极分别作为四线式压阻试样的第二个电流端和第二个电压端；顶层组件的电流端为正方形铜箔电极，其边 长与底层组件的正方形铜箔电极的边长相同；顶层组件的电压端为靠近绝缘刚性板边缘位置的金属引线， 该电压端略超出顶层组件的底面，超出部分的长度为0.5毫米；

(2)、将底层组件和中间层组件叠放在一起，且保证底层组件的正方形铜箔电极的一侧与中间层组件 的矩形通透槽的一个边缘重合；将一块有机玻璃切割成长方体，该长方体型有机玻璃的底面为正方形，边 长与底层组件的正方形铜箔电极的边长相同，高度与中间层组件的矩形通透槽的高度相同，将长方体型有 机玻璃放入中间层组件的矩形通透槽中，且保证所述长方体型有机玻璃的底面与底层组件的正方形铜箔电 极完全重合；将聚二甲基硅氧烷、正硅酸乙酯和正己烷按1：0.03：50的体积比混合，在机械搅拌的作用 下形成聚二甲基硅氧烷胶状物，将其灌入长方体型有机玻璃和中间层组件的矩形通透槽之间的缝隙处，待 聚二甲基硅氧烷硫化成型后，抽离长方体型有机玻璃；在硫化后的二甲基硅氧烷薄层的顶端位置开豁口， 其尺寸与顶层组件上的电压端超出顶层组件的底面的部分的尺寸相同；

(3)、将平均粒径为20纳米的导电炭黑粉末和聚二甲基硅氧烷按0.08：1的质量比混合；将正己烷 加入到混合体中；对导电炭黑/聚二甲基硅氧烷/正己烷混合溶液进行大功率机械搅拌，同时辅以超声振荡， 使导电炭黑在混合溶液中分散，在正硅酸乙酯的作用下，形成炭黑填充聚二甲基硅氧烷复合材料胶状物； 将所述的炭黑填充聚二甲基硅氧烷复合材料胶状物灌入中间层组件的矩形通透挖槽里；将顶层组件叠放在 中间层组件之上，使顶层组件上的电流端与炭黑填充聚二甲基硅氧烷复合材料胶状物相接触，并使顶层组 件上的电压端超出顶层组件的底面的部分嵌入所述的聚二甲基硅氧烷薄层的顶层位置的豁口，用夹持器保 持顶层组件始终保持水平，待炭黑填充聚二甲基硅氧烷复合材料胶状物硫化成型后，撤去夹持器，即完成 四线式压阻试样的制备。

(4)、测量基于炭黑填充聚二甲基硅氧烷复合材料的四线式压阻试样压阻特性时，将施力压块放置在 顶层组件之上，将四线式压阻试样的两个电流端接到恒流源的两端、将四线式压阻试样的两个电压端接入 具有高输入阻抗的电压测量装置。

实施例2

(1)、底层组件是通过在一块酚醛层压纸板上覆合正方形铜箔电极制备而成，该铜箔电极作为四线式 压阻试样的第一个电流端，其边长为50毫米；中间层组件是通过在一块中心部位具有矩形通透槽的酚醛 层压纸板中设置一根金属引线制备而成，中间层组件的矩形通透槽的宽度与底层组件的正方形铜箔电极的 边长相同，中间层组件的矩形通透槽的长度为51毫米，中间层组件的矩形通透槽的高度为25毫米，所述 金属引线在靠近中间层组件的矩形通透槽的一侧伸出一部分，伸出部分的长度为0.5毫米，该金属引线即 作为四线式压阻试样的第一个电压端；顶层组件是通过在一块酚醛层压纸板上覆合两部分互相绝缘的铜箔 电极制备而成，酚醛层压纸板的底面为矩形，其长和宽与中间层组件的矩形通透槽相同，两部分互相绝缘 的电极分别作为四线式压阻试样的第二个电流端和第二个电压端；顶层组件的电流端为正方形铜箔电极， 其边长与底层组件的正方形铜箔电极的边长相同；顶层组件的电压端为靠近绝缘刚性板边缘位置的金属引 线，该电压端略超出顶层组件的底面，超出部分的长度为0.5毫米；

(2)、将底层组件和中间层组件叠放在一起，且保证底层组件的正方形铜箔电极的一侧与中间层组件 的矩形通透槽的一个边缘重合；将一块有机玻璃切割成长方体，该长方体型有机玻璃的底面为正方形，边 长与底层组件的正方形铜箔电极的边长相同，高度与中间层组件的矩形通透槽的高度相同，将长方体型有 机玻璃放入中间层组件的矩形通透槽中，且保证所述长方体型有机玻璃的底面与底层组件的正方形铜箔电 极完全重合；将聚二甲基硅氧烷、正硅酸乙酯和正己烷按1：0.03：50的体积比混合，在机械搅拌的作用 下形成聚二甲基硅氧烷胶状物，将其灌入长方体型有机玻璃和中间层组件的矩形通透槽之间的缝隙处，待 聚二甲基硅氧烷硫化成型后，抽离长方体型有机玻璃；在硫化后的二甲基硅氧烷薄层的顶端位置开豁口， 其尺寸与顶层组件上的电压端超出顶层组件的底面的部分的尺寸相同；

(3)、将平均粒径为30纳米的导电炭黑粉末和聚二甲基硅氧烷按0.06：1的质量比混合；将正己烷 加入到混合体中；对导电炭黑/聚二甲基硅氧烷/正己烷混合溶液进行大功率机械搅拌，同时辅以超声振荡， 使导电炭黑在混合溶液中分散，在正硅酸乙酯的作用下，形成炭黑填充聚二甲基硅氧烷复合材料胶状物； 将所述的炭黑填充聚二甲基硅氧烷复合材料胶状物灌入中间层组件的矩形通透挖槽里；将顶层组件叠放在 中间层组件之上，使顶层组件上的电流端与炭黑填充聚二甲基硅氧烷复合材料胶状物相接触，并使顶层组 件上的电压端超出顶层组件的底面的部分嵌入所述的聚二甲基硅氧烷薄层的顶层位置的豁口，用夹持器保 持顶层组件始终保持水平，待炭黑填充聚二甲基硅氧烷复合材料胶状物硫化成型后，撤去夹持器，即完成 四线式压阻试样的制备。

(4)、测量基于炭黑填充聚二甲基硅氧烷复合材料的四线式压阻试样压阻特性时，将施力压块放置在 顶层组件之上，将四线式压阻试样的两个电流端接到恒流源的两端、将四线式压阻试样的两个电压端接入 具有高输入阻抗的电压测量装置。

实施例3

(1)、底层组件是通过在一块酚醛层压纸板上覆合正方形铜箔电极制备而成，该铜箔电极作为四线式 压阻试样的第一个电流端，其边长为55毫米；中间层组件是通过在一块中心部位具有矩形通透槽的酚醛 层压纸板中设置一根金属引线制备而成，中间层组件的矩形通透槽的宽度与底层组件的正方形铜箔电极的 边长相同，中间层组件的矩形通透槽的长度为56毫米，中间层组件的矩形通透槽的高度为20毫米，所述 金属引线在靠近中间层组件的矩形通透槽的一侧伸出一部分，伸出部分的长度为0.3毫米，该金属引线即 作为四线式压阻试样的第一个电压端；顶层组件是通过在一块酚醛层压纸板上覆合两部分互相绝缘的铜箔 电极制备而成，酚醛层压纸板的底面为矩形，其长和宽与中间层组件的矩形通透槽相同，两部分互相绝缘 的电极分别作为四线式压阻试样的第二个电流端和第二个电压端；顶层组件的电流端为正方形铜箔电极， 其边长与底层组件的正方形铜箔电极的边长相同；顶层组件的电压端为靠近绝缘刚性板边缘位置的金属引 线，该电压端略超出顶层组件的底面，超出部分的长度为0.3毫米；

(2)、将底层组件和中间层组件叠放在一起，且保证底层组件的正方形铜箔电极的一侧与中间层组件 的矩形通透槽的一个边缘重合；将一块有机玻璃切割成长方体，该长方体型有机玻璃的底面为正方形，边 长与底层组件的正方形铜箔电极的边长相同，高度与中间层组件的矩形通透槽的高度相同，将长方体型有 机玻璃放入中间层组件的矩形通透槽中，且保证所述长方体型有机玻璃的底面与底层组件的正方形铜箔电 极完全重合；将聚二甲基硅氧烷、正硅酸乙酯和正己烷按1：0.03：50的体积比混合，在机械搅拌的作用 下形成聚二甲基硅氧烷胶状物，将其灌入长方体型有机玻璃和中间层组件的矩形通透槽之间的缝隙处，待 聚二甲基硅氧烷硫化成型后，抽离长方体型有机玻璃；在硫化后的二甲基硅氧烷薄层的顶端位置开豁口， 其尺寸与顶层组件上的电压端超出顶层组件的底面的部分的尺寸相同；

(3)、将长径比为330的碳纳米管和聚二甲基硅氧烷按0.04：1的质量比混合；将正己烷加入到混合 体中；对碳纳米管/聚二甲基硅氧烷/正己烷混合溶液进行大功率机械搅拌，同时辅以超声振荡，使碳纳米 管在混合溶液中分散，在正硅酸乙酯的作用下，形成碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料胶状物；将所 述的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料胶状物灌入中间层组件的矩形通透挖槽里；将顶层组件叠放在 中间层组件之上，使顶层组件上的电流端与碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料胶状物相接触，并使顶 层组件上的电压端超出顶层组件的底面的部分嵌入所述的聚二甲基硅氧烷薄层的顶层位置的豁口，用夹持 器保持顶层组件始终保持水平，待碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料胶状物硫化成型后，撤去夹持器， 即完成四线式压阻试样的制备。

(4)、测量基于碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料的四线式压阻试样压阻特性时，将施力压块放 置在顶层组件之上，将四线式压阻试样的两个电流端接到恒流源的两端、将四线式压阻试样的两个电压端 接入具有高输入阻抗的电压测量装置。