石墨烯/硅橡胶基磁流变弹性体电容传感研究及应用

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传统的磁流变弹性体作为一种智能复合材料,已广泛应用于振动控制与非智能传感等诸多领域。本文提出了一种石墨烯/硅橡胶基磁流变弹性体(GR/RTV MRE),通过仿真与实验的方法研究其介电常数与压缩特性,以确定其作为电容传感中间电介质的可行性,进一步探究磁流变弹性体在智能传感领域的应用。本文主要工作如下:首先,进行了GR/RTV磁流变弹性体的介电常数与压缩特性的理论研究。基于有效介质理论建立一般磁流变弹性体的介电常数计算模型,并基于介电泛函理论分析石墨烯体积分数对GR/RTV磁流变弹性体介电常数的影响。通过Comsol仿真探究石墨烯体积分数和磁场强度对GR/RTV磁流变弹性体压缩特性的影响。为后续实验探究与应用设计提供了理论基础。其次,制备了GR/RTV磁流变弹性体样本。设计了预构磁场装置并对其磁场进行了仿真,结果表明磁场强度满足制备要求。确定了GR/RTV磁流变弹性体的制备工艺,使用原位聚合法制备了石墨烯体积分数分别为0%,1%,2%,3%,4%,5%,6%的实验样本。样本的SEM扫描分析结果表明:经过磁场预构的样本表面平整光滑,石墨烯与羰基铁粉分散良好,符合实验预期要求。然后,进行了GR/RTV磁流变弹性体的介电常数与压缩特性的实验探究。采用LCR数字测量仪测量了GR/RTV磁流变弹性体样品的介电常数,所测实验数据与理论计算结果误差小于7%,基本吻合理论模型。搭建了磁流变弹性体压缩特性实验平台,测试了石墨烯体积分数与磁场强度对磁流变弹性体压缩特性的影响。结果表明,在相同磁场强度条件下,GR/RTV磁流变弹性体的压缩模量会随着石墨烯体积分数的增加而增大;在相同石墨烯体积分数条件下,GR/RTV磁流变弹性体的等效压缩模量会随着磁场强度的增加而增大。另外,基于超弹性原理与实验数据确定了GR/RTV磁流变弹性体应力应变关系模型,为后续电容传感设计提供了实验依据。最后,进行了GR/RTV磁流变弹性体的电容传感与传感阵列的设计与实验探究。基于应力应变关系模型,设计了电容传感单元。并以传感单元为基础,制作了微型柔性电容传感阵列与小型电容传感阵列。设计了数据采集系统,随后通过压缩特性实验平台施加整体压力,配重块调整局部压力的方案进行了两种阵列对平面受载表征实验探究。结果表明,阵列的各点测量误差小于1.5%,能够有效地表征平面受力状态。
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