專利名稱：研究壓阻行為的準等靜壓方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及研究壓阻行為的準等靜壓方法及其裝置，尤其是研究聚合物基導電復合材料在施加單軸壓力下的壓阻行為的準等靜壓方法及其裝置。
背景技術：
導電復合材料是通過共混、摻雜、原位復合等手段將導電填料填充入絕緣基體而獲得。由于基體和填料對外部刺激的反應不同，導電復合材料往往可以對許多外場(如機械外力、溶劑、電場、磁場或超聲場)的存在做出響應，這些響應包括溫度的降低或升高、電阻的變化、力學阻尼及聲學阻尼等。特別是以聚合物材料作為基體的聚合物基導電復合材料，不僅具備獨特的電學和力學性質，還具有質量小、成本低、易加工和耐腐蝕等特點，其重要的學術價值和工程應用背景因而受到了廣泛關注。
當復合材料的電阻率隨著外力產生的形變而改變時，我們稱這種材料具有壓阻效應。材料電阻率隨外部壓力增大而增大被稱為正壓力系數效應，隨外部壓力增大而減小稱作負壓力系數效應。具備壓阻特性的材料可以用來開發(fā)各種各樣的壓力傳感器(應變傳感器)和壓敏元件，還可以用于結構材料內部損傷的白監(jiān)測。目前，這類產品已經在各類觸摸控制開關、電機的體積變化控制零件、橋梁等建筑上的震動傳感器、高速公路的運動載荷傳感器以及飛機、汽車零件、機械手、人造假肢等處的壓力傳感器等各種場合得到了廣泛應用，并且被用于監(jiān)測和診斷連續(xù)纖維填充復合材料內部纖維破壞狀況并估算纖維斷裂分數。
從理論上研究壓阻行為對于揭示滲流網絡結構與性質具有特殊的意義。壓阻行為與導電復合材料在其它外場下的導電行為相關聯，甚至與自然界的各類滲流行為相聯系，有望探明滲流行為包括壓致滲流行為的一般作用機制，并進一步揭示與導電過程相關的結構-性能關系。另一方面，正因為聚合物基導電復合材料可能對許多外場的存在都表現出敏感響應，所以當我們力圖利用某一種敏感特征時，必須努力使其它外場對電阻變化的影響減到最小，這也要求我們對復合材料電阻的壓力依賴性作比較深入的研究。
對復合材料電阻率產生影響的機械外力，可能包括拉伸、壓縮、剪切和扭擺等情況。對于壓縮，同樣存在單軸壓縮、三軸壓縮、等靜壓縮等不同方式。通常材料在使用過程受到的是沒有任何邊界條件的單軸壓縮，其壓阻行為表現為較小壓力下的負壓力系數效應以及較大壓力下的正壓力系數效應，表明體系的滲流網絡在大應力(應變)下出現了明顯破壞。設計一種有邊界(即限制橫向變形)的單軸壓縮方式，能夠真正揭示單軸壓阻行為的發(fā)生機制并因此開發(fā)性能更穩(wěn)定的傳感器等制品。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種研究壓阻行為的準等靜壓方法及其裝置，用于考察有邊界的單軸壓力或形變對聚合物基導電復合材料電阻率的影響。
本發(fā)明所述的研究壓阻行為的準等靜壓方法，是采用對試樣施加單軸壓力，限制試樣的橫向變形，使試樣變形只能發(fā)生在一維方向上，試樣上布置電極，測試試樣的電阻隨單軸壓力的變化情況。
實現本發(fā)明方法的準等靜壓裝置，主要包括管件，在管件的內壁設有絕緣層，管件中置有上頂桿、下頂桿和兩片分別用于與試樣兩端面接觸的電極，電極引出線與數字萬用表相連。
本發(fā)明的有益效果在于根據單軸壓力或形變的不同實現方式，本發(fā)明可以考察單次加載、循環(huán)加載、蠕變及應力松弛條件下材料電阻的變化，從而研究聚合物基導電復合材料的循環(huán)壓阻行為、電阻蠕變行為、壓致滲流行為及壓力大小和加壓速率對壓阻行為和滲流行為的影響。由于試樣的變形被完全控制在一維方向上，避開了無邊界單軸壓縮中的橫向變形以及邊界條件的干擾，結合壓阻行為的其它表現形式，本發(fā)明可以更好地揭示壓力下滲流網絡微結構變化及單軸壓阻行為發(fā)生機制，進而開發(fā)性能更穩(wěn)定的傳感器等制品。


圖1是本發(fā)明的準等靜壓裝置示意圖；圖2是炭黑填充導電硅橡膠在無邊界單軸壓縮條件下的壓阻行為；圖3是炭黑填充導電硅橡膠在有邊界單軸壓縮條件下的壓阻行為；圖4是炭黑填充高密度聚乙烯導電復合材料在有邊界壓縮條件下的電阻蠕變行為；圖5是炭黑填充高密度聚乙烯導電復合材料在有邊界壓縮條件下的電阻松弛行為。
具體實施例方式
以下結合附圖和實例進一步說明本發(fā)明。
參照圖1，準等靜壓裝置主要包括管件4、上頂桿1、下頂桿7和兩片分別用于與試樣兩端面接觸的電極9，上頂桿1、下頂桿7和兩片電極9置于管件4中，在管件4的內壁設有絕緣層6，電極9利用電阻測量導線3引出，經上、下頂桿與數字萬用表11相連。這里，管件4為無縫鋼管，上、下頂桿采用不銹鋼材料。圖示實例中，上頂桿1上設螺母2，下頂桿7與支座8做成一體，以便于與材料萬能試驗機10的固定。
將圓柱形試樣5進行預壓縮處理，消除受力史。然后將試樣5置于準等靜壓裝置上、下頂桿之間，由管件4限制試樣的橫向變形，用材料萬能試驗機10施加單軸壓力或形變，同步記錄電阻-壓力-位移數據，根據需要由程序設計不同的施力方式，從而研究不同情況下的壓阻行為及其影響因素。
實施例1考察有邊界單軸壓縮條件下的壓阻行為。
分別進行以下操作按一定加載速率施壓到試樣的屈服應力附近，觀察大負荷對試樣電阻率的影響；在中等及小應力幅范圍內對試樣進行循環(huán)加載，調整加載和卸載速率以及循環(huán)間隔時間，考察材料的循環(huán)壓阻行為及其穩(wěn)定性；分別采用力控制或者位移控制模式對試樣進行加載并改變加載速率，考察不同的加載速率對壓阻行為的影響。
圖2、3比較了炭黑填充導電硅橡膠(填料質量分數為25％)在無邊界和有邊界單軸壓縮條件下的壓阻行為。圖2、3中的實線表示電阻變化，虛線表示試樣受力大小。比較圖2和圖3可以看到，相比無邊界壓縮的情況，有邊界壓縮初始階段的電阻增大明顯被削弱，電阻隨著壓力增大幾乎是單調減小。這表明，無邊界壓縮情況下的電阻先增大后減小確實與試樣的橫向變形及由此引起的滲流網絡結構變化有關。
實施例2考察準等靜壓下壓阻行為的時間依賴性。
分別進行以下操作控制試驗機壓頭以固定加壓速率(N/min)移動，直至到達設定壓力，然后保持壓力恒定，同步記錄試樣高度及電阻隨時間的變化，由此觀察到的電阻變化被我們定義為電阻蠕變；控制試驗機壓頭以固定位移速率(mm/min)移動，直至到達預定形變，然后保持壓頭位置不變，同步記錄壓力數據及電阻隨時間的變化，由此觀察到的電阻變化被我們定義為電阻松弛。
圖4給出了炭黑填充高密度聚乙烯導電復合材料(填料體積分數為13％，固定壓力為1KN)在有邊界壓縮條件下的電阻蠕變曲線。圖中的實線表示電阻變化，虛線表示試樣形變大小。從圖中發(fā)現，該曲線與材料的力學蠕變曲線十分相近，幾乎重合，顯示材料的電阻與宏觀尺寸變化(即應變)之間存在某種密切關系。
圖5給出了炭黑填充高密度聚乙烯導電復合材料(填料體積分數為8％，固定形變?yōu)?％)在有邊界壓縮條件下的電阻松弛曲線。圖中的實線表示電阻變化，虛線表示試樣所受負荷大小?？梢钥吹剑斣嚇拥奈灰仆蝗煌Ｖ箷r，負荷呈指數形式衰減，電阻反而不斷增大。進一步研究表明，電阻變化的方向松弛實驗開始前的壓阻變化方向有關，這表明，體系的電阻蠕變和電阻松弛遵循不同于力學松弛的獨特機制。
實施例3考察壓力對滲流行為的影響及壓致滲流行為。
分別進行以下試驗對填料體積分數不同的試樣，分別考察其在不同載荷下的電阻蠕變行為，到達平衡或指定時間(如2000s)后停止實驗，將此時的電阻值視為試樣在該壓力下的平衡值，根據不同壓力下材料電阻率隨填料濃度的變化關系并繪制滲流曲線，考察壓力對滲流行為的影響；對不同濃度的試樣，分析平衡電阻值隨蠕變壓力的改變，考察類似于滲流行為的電阻變化——“壓致滲流行為”，借此揭示材料在壓力作用下的微結構變化及滲流網絡演變過程。
權利要求
1.研究壓阻行為的準等靜壓方法，其特征是對試樣施加單軸壓力，限制試樣的橫向變形，使試樣變形只能發(fā)生在一維方向上，測試試樣的電阻隨單軸壓力的變化情況。
2.根據權利要求1所述的研究壓阻行為的準等靜壓方法，其特征在于所說的單軸壓力包括一維方向的單次加載、循環(huán)加載、蠕變和應力松弛。
3.根據權利要求1所述的研究壓阻行為的準等靜壓方法，其特征在于所說的試樣為置于管件中的圓柱體，在圓柱體的軸向施壓，并在圓柱體的上、下面分別布置電極，將電極與數字萬用表連接。
4.用于權利要求1所述方法的準等靜壓裝置，其特征在于該裝置主要包括管件(4)，在管件(4)的內壁設有絕緣層(6)，管件(4)中置有上頂桿(1)、下頂桿(7)和兩片分別用于與試樣兩端面接觸的電極(9)，電極(9)引出線與數字萬用表(11)相連。
5.如權利要求4所述的準等靜壓裝置，其特征在于所說的管件(4)為無縫鋼管。
全文摘要
本發(fā)明公開了研究壓阻行為的準等靜壓方法及其裝置，采用對試樣施加單軸壓力，限制試樣橫向變形，測試試樣的電阻隨單軸壓力的變化情況。實施本發(fā)明方法的裝置包括管件，在管件的內壁設有絕緣層，管件中置有上、下頂桿和兩片分別用于與試樣兩端面接觸的電極，電極引出線與數字萬用表相連。采用本發(fā)明可以考察單次加載、循環(huán)加載、蠕變及應力松弛條件下材料電阻的變化，從而研究聚合物基導電復合材料的循環(huán)壓阻行為、電阻蠕變行為、壓致滲流行為及壓力大小和加壓速率對壓阻行為和滲流行為的影響。
文檔編號G01R29/00GK1773296SQ200510061499
公開日2006年5月17日 申請日期2005年11月9日 優(yōu)先權日2005年11月9日
發(fā)明者鄭強, 周劍鋒, 徐文武, 宋義虎, 朱姝 申請人:浙江大學