基于新型三维柔性触觉传感器的力敏导电硅橡胶导电机理研究大学论文.doc

基于新型三维柔性触觉传感器的力敏导电硅橡胶导电机理_研究

基于新型三维柔性触觉传感器的力敏导电硅橡胶导电机理研究

Research on conductive mechanism of pressure-sensitive conductive silicone rubber based on the new three-dimensional flexible tactile sensor

学 位 类 型 学 历 硕 士
学 科、专 业 微电子学与固体电子学
研 究 方 向 电子功能材料与传感器

46

合 肥 工 业 大 学

本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士学位论文质量要求。

答辩委员会签名

主席：
委员：

导师：

独 创 性 声 明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 合肥工业大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解 合肥工业大学 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 合肥工业大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
(保密的学位论文在解密后适用本授权书)

学位论文作者签名： 导师签名：
签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日
学位论文作者毕业后去向：
工作单位： 电话：
通讯地址： 邮编：

基于新型三维柔性触觉传感器的力敏导电硅橡胶导电机理研究

摘 要

炭黑填充导电硅橡胶材料是一种新型力敏材料，具有优良力学和电学特性、柔韧性好、分辨率高等特点，可用于制作柔性触觉传感器。这种新型力敏材料的导电机理研究对柔性触觉传感器的进一步研究和实用化有重要意义，本文重点研究了基于新型三维柔性触觉传感器的复合力敏导电硅橡胶的导电机理。
论文详细阐述了柔性触觉传感器、导电橡胶及其导电机理的研究现状和进展，在重点分析力敏导电硅橡胶导电机理的基础上，探讨两种主要的导电机制理论：导电通路理论和电子隧道理论。在导电理论的基础上分别建立压阻模型，通过实验结果的分析对两种模型进行了讨论。并通过对不同填充炭黑类型、不同炭黑含量条件下力敏导电硅橡胶压阻特性的实验分析，获得了改善力敏硅橡胶材料的压阻特性的方法。
本文在导电理论基础上讨论了力敏导电硅橡胶的电阻温度特性，通过对添加不同填充材料条件下力敏导电硅橡胶电阻温度特性的实验分析，获得了改善力敏硅橡胶材料的电阻温度特性的方法。最后利用微观结构分析方法对力敏导电硅橡胶材料的进行内部微观结构的分析，探讨炭黑微观形貌和在硅橡胶材料中的分散状态对力敏硅橡胶材料导电特性的影响因素，进一步深入分析了复合材料的导电机理。

关键字：力敏导电硅橡胶 导电机理 压阻特性 温度效应 微观机构分析

Research on conductive mechanism of pressure-sensitive conductive silicone rubber based on the new three-dimensional flexible tactile sensor

Abstract

Carbon black filled conductive silicone rubber material is a new type of pressure-sensitive material， has excellent mechanical and electrical properties， good flexibility， high resolution. It can be used for the production of flexible tactile sensor. Its conductive mechanism has important significance for further research and practicability of flexible tactile sensor. This article focuses on the conductive mechanism of pressure-sensitive conductive silicone rubber based on the new flexible three-dimensional tactile sensor.
This article elaborated on the status and progress of flexible tactile sensor， conductive rubber and its conductive mechanism. The focus of analysis is in the conductive mechanism of pressure-sensitive conductive silicone rubber. The two main theories of the conductivity mechanism were explored: conductive pathway theory and theory of electron tunnel. Two piezoresistive models were set up respectively on the basis of the conductive mechanism theory; the experimental results were also analyzed and discussed. Experimental analyze piezoresistive characteristics of conductive silicone rubber filled with different types of carbon black, different carbon black content received the approach of improving the force sensitivity of pressure-sensitive material.
The resistance temperature characteristic of pressure-sensitive conductive silicone rubber was discussed on the theoretical basis of conductive mechanism. Through filled with different types material, the resistance temperature characteristic experiments of conductive composite were introduced and analyzed. Some methods to improve the resistance temperature characteristic were put forward. Finally by the use of micro-structure analysis of pressure-sensitive conductive silicone rubber material, the conductive mechanism was further verified and some factors of the production process that impact the electrical properties of pressure-sensitive silicone rubber were given.

Keywords: Pressure-sensitive conductive silicon rubber；Conductive mechanism；Piezoresistive characteristic；Resistance temperature characteristic；Micro-structure analysis

致 谢
非常感谢我的导师黄英副教授在研究生期间对我的指导、关心和帮助。在黄老师的悉心指导下，我顺利的完成了研究生的课题研究和论文撰写，同时黄老师在生活上也给予了我极大的帮助和关心。黄老师严谨的治学态度、敏锐的洞察力、以身作则的工作作风以及虚怀若谷的个人魅力使我从中受益匪浅，是我终身学习的榜样，在此衷心地向我尊敬的导师黄英教授致以最真挚的感谢和敬意，感谢黄老师对我的栽培以及给予的帮助！
感谢我的师姐王敏，师兄王磊、黄攀峰，同学付秀兰、明小慧、黄锋、顾勤冬、严春早等，感谢我的师弟董万成、刘平、赵兴，师妹黄钰等，他们在我的学习和生活中给予了真诚的帮助和鼓励。
感谢中国科学院合肥智能机械研究所葛运建研究员在我的课题研究阶段给予的关心和支持，葛老师对课题提出了很多好的建议，在此表示感谢！还有其他863课题组的同学们都在学习上给我很多的启发，同时表示谢意。
感谢应用物理系的仇怀利老师、刘彩霞老师在我的课题研究中提供了很大的帮助。
感谢我的家人，他们多年来对我生活和学习上的理解和帮助，感谢他们的付出，在此向他们表达的深深敬意！
最后，感谢百忙之中抽出宝贵时间参加论文评阅的各位专家学者，感谢他们所付出的辛勤劳动。

作者：向 蓓
2009年 04月

目 录

第一章 绪 论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外研究现状 1
1.2.1 柔性触觉传感器 1
1.2.2 柔性力敏材料 2
1.2.3 炭黑填充型导电硅橡胶 4
1.3 课题的来源、意义和主要内容 5
第二章 力敏导电硅橡胶导电机制的基本理论 7
2.1 导电高分子材料的导电机理 7
2.2 有效介质模型和导电通路理论 8
2.2.1 渗流理论 8
2.2.2 三个区域的划分 9
2.2.3 有效介质模型 10
2.2.4 导电通路学说 12
2.3 电子隧道效应理论 13
2.3.1 隧道效应基本理论 13
2.3.2 隧道效应理论在力敏导电硅橡胶材料中的应用 14
2.4 小结 15
第三章 力敏导电硅橡胶的压阻模型建立和实验研究 16
3.1 力敏导电硅橡胶的压阻现象及其理论模型 16
3.1.1 基于导电通路理论的压阻模型 16
3.1.2 基于隧道效应理论的压阻模型 17
3.2 压阻特性研究与实验 18
3.2.1 不同填充材料的渗流现象 18
3.2.2 不同填充材料对压阻特性的影响 19
3.2.3 相同的导电填料不同填充含量对压阻特性的影响 21
3.3 压阻模型的实验分析与对比 22
3.3.1 模型I的理论值和实验值比较 22
3.3.2 模型II的理论值和实验值比较 23
3.3.3 两种模型的适用性分析 24
3.4 小结 24
第四章 力敏导电硅橡胶的电阻温度效应和实验研究 25
4.1 导电高分子复合材料的温度特性 25
4.2 力敏导电硅橡胶的温度特性 28
4.3 填充材料对温度特性的影响 29
4.3.1 不同填充材料对温度特性的影响 29
4.3.2 不同填充含量对温度特性的影响 30
4.4 纳米改性材料对温度特性的影响 31
4.4.1 纳米SiO2对温度特性的影响 31
4.3.2 纳米Al2O3对温度特性的影响 32
4.5 小结 32
第五章 力敏导电硅橡胶的微观结构分析 33
5.1 聚合物结构分析的常用仪器和材料准备 33
5.1.1 电子分析法 33
5.1.2 常用聚合物结构分析的准备 34
5.1.3 力敏导电硅橡胶结构分析的准备 35
5.2 原子力显微镜及其在结构分析中的应用 35
5.2.1 原子力显微镜的工作原理 35
5.2.2 力敏导电硅橡胶的AFM图和分析 36
5.3 扫描电子显微镜及其在结构分析中的应用 37
5.3.1 扫描电子显微镜的工作原理 37
5.3.2 力敏导电硅橡胶的SEM图和分析 37
5.4 结构分析对力敏导电硅橡胶导电机理理论支持的探讨 39
第六章 总结与展望 40
6.1 总结 40
6.2 下一步的工作及展望 40
参考文献 42
攻读硕士学位期间发表的论文 46

插图清单

图1-1 应用在机器人手上的电子皮肤 4
图2-1 电阻率随碳黑含量的变化 10
图2-2 方程2-4，2-5，2-6表示的复合材料的曲线图 12
图2-3 导电网链 13
图3-1 导电通道在压力作用下的形成过程 16
图3-2 三种不同型号炭黑填充硅橡胶的体积分数-电阻率曲线 19
图3-3 压阻效应装置示意图 20
图3-4 体积分数为25%的样品的压阻特性 20
图3-5 分别填充三种不同炭黑的导电硅橡胶的压阻特性 21
图3-6 不同填充量（vol%）CB3100样品压阻特性曲线 21
图3-7 模型I的理论值和实验值比较 22
图3-8 模型II的理论值和实验值比较 23
图4-1 导电复合材料的温阻特性曲线示意图 25
图4-2 不同填充炭黑的电阻温度特性曲线 29
图4-3 力敏导电硅橡胶的电阻温度特性实验 30
图4-4 掺入不同含量纳米SiO2的力敏导电硅橡胶的电阻温度特性 31
图4-5 掺入不同含量纳米Al2O3的力敏导电硅橡胶的电阻温度特性 32
图5-1 常用结构分析仪器主要组成部分示意图 33
图5-2 原子力显微镜原理示意图 35
图5-3 炭黑（ECP）含量8%导电硅橡胶AFM三维图 36
图5-4 添加纳米改性材料的导电硅橡胶AFM三维图 36
图5-5 扫描电镜的工作原理图 37
图5-6 力敏导电硅橡胶断面的SEM图 38
图5-7 两种不同型号填充炭黑的力敏导电硅橡胶断面的SEM图 38
图5-8 填充纳米改性材料的力敏导电硅橡胶胶断面的SEM图 39

列表清单

表3-1 炭黑技术指标 18
表3-2 炭黑填充硅橡胶的基本特征参数 19
表3-3 不同填充量（vol%）CB3100样品配比及硬度对比 21
表3-4 三个样品的参数估算值 23
表4-2 添加纳米材料力敏导电硅橡胶的质量百分比 31
表5-1 常用电子分析法原理 33

第一章 绪 论

1.1 研究背景
机器人技术是综合了精密机械，自动控制，微电子学，仿生学等多种学科的高技术，是当今世界新技术革命的重要标志之一。触觉传感器是机器人获取触觉信息不可缺少的手段，根据触觉传感器提供的信息，机器手可对目标物体进行可靠抓取，并可进一步感知它的大小、形状、轻重、软硬等物理特性[1-5]。柔性触觉传感技术的研究经过多年的发展已经取得了较大进步，但还面临着诸多困难。一方面多年来在触觉传感器的测试原理方面几乎没有新的突破，尽管学术界对人的触觉感知及皮肤的特性有了更深入的了解，但人类的触觉不是简单的将物理特性转换为神经信号，而是综合复杂的过程，所以模仿有相当的难度；另一方面在发明、发现可用于触觉传感器的新型敏感材料方面也举步为艰，极少数的研究成果大多还停留在实验室阶段，实际应用和商用化明显滞后，所以近年来基本上没发现有可靠耐用、通用性强的柔性触觉传感器问世[6]。
制作柔性触觉传感器的关键技术之一是能找到一种精确检测出微小位移量的敏感材料。作为一种新型的导电复合材料，力敏导电硅橡胶力学性能好，抗干扰能力强，制作的传感器能达到具有较高的分辨率，是制作柔性触觉传感器良好材料。但目前对导电硅橡胶材料的导电机理研究却落后于应用研究，对该材料的导电机理、压阻特性和电阻温度特性研究还没有较统一的理论体系。本章主要对柔性触觉传感器、力敏材料、导电硅橡胶及其导电机理进行系统的阐述。

1.2 国内外研究现状
1.2.1 柔性触觉传感器
触觉传感器正朝着集成化、小型化和智能化的方向发展，一个集成的传感器阵列包含多个传感单元，每个传感单位都能独立获取外界信息，而多个传感单元的有机融合则可实现单个传感单元无法实现的功能[7]。为准确获取触觉信息及适用于任意形状的物体，要求触觉传感器具有一定的柔性，并能获取三维接触力信息。这样的柔性三维力传感器阵列也称为智能皮肤[8-11]。智能皮肤的概念最早由Barth等人于1985年首次提出[12]。作为概念演示，他们采用硅岛结构和聚酞亚胺材料制作了一个柔性的一维硅二极管温度传感器线阵列，其硅岛结构采用各向同性湿法腐蚀技术制作，硅岛侧壁形状不规则并且较为粗糙，这种柔性阵列的弯曲可靠性比较差。
多年来人们不断尝试从力敏导电硅橡胶、电容、PVDF (聚偏二氟乙烯)、光波导等技术出发来研制机器人柔性触觉传感器，已经取得了一定的成果。单维力检测方面，如日本东京大学于2002年利用导电橡胶研制出的机器人柔性触觉手指套[13]，2005年开发出了一种由橡胶、导电石墨和新型晶体管组成的，几乎跟真人皮肤一样敏感的电子“皮肤”，使机器人的触觉传感技术变得越来越成熟，2006年在弹性胶体内埋入悬臂式结构的传感器，利用其压阻特性感知切向力。国内对柔性触觉传感器技术中也有相关研究，例如清华大学工程力学系应用新型导电橡胶为传感器材料，成功研制了251点阵的接触力传感型人体足底压力分布的测量系统[14]；西安交通大学研究了一种基于导电橡胶的触觉传感器，不但可以获得物体表面的形状特征，还可以得到物体滑觉信息以及相对速度[15]。
三维力检测的发展，如荷兰代福特工业大学电子仪器实验室(Delft university of Technology，Laboratory for Electronic Instrument) Z.Chu等早在1995年基于电容原理设计了能检测三维力的触觉传感器[16]；加拿大Simon Fraser大学的Dargahi对PVDF薄膜的压电和热电特性进行了分析，测试了动态响应，提出了由三片PVDF薄膜构成的触觉传感器[17]；日本的科学家Yoji Yamada等在硅橡胶内埋入柔性光纤研究多维触觉传感器及其结构，利用硅橡胶变形产生的压力作用于传感器单元上，达到测量多维力的目的[18]；2006年韩国国家技术科学院利用光纤光栅传感系统和触觉传感器技术，研究了两种用来检测三维力的3×3阵列分布式结构[19]；中国科学院合肥智能机械研究所于1999年以MEMS技术制作了能检测三维接触力信息的阵列触觉传感器，2005年国家863盔甲式结构柔性多维触觉传感器项目通过验收[20]；重庆大学2001年提出了一种基于PVDF膜的新型三维力触觉传感技术，阐述了触觉传感头的设计思想和基本结构，得到了计算空间三维力的公式[21 22]。目前所研究的多维触觉传感器共同的不足之处是没有真正达到人类皮肤的柔韧性，在多维传感器阵列结构的研究方面没有实质上的突破，无法实现触觉传感器的整体多层阵列式结构设计。综观国内外在多维触觉传感器领域的研究情况，在现有的设计方案中仍存在着诸多的问题，如造价昂贵、信号处理复杂、柔性差、不适合大面积测量、制作工艺要求高等诸多问题，真正实用的柔性多维触觉传感器鲜为人见。
尽管柔性触觉传感器经过了几十年的发展，研究者仍在积极寻找新材料，新原理，设计传感器，力图设计出高性能，高柔性，高可靠性的传感器，使触觉传感器尽快走入实用阶段。

1.2.2 柔性力敏材料
从“智能皮肤”概念1985年提出，此后直到1994年，才有Beebe等人在智能皮肤的性能改进方面进行了一些研究，并提出在硅岛正反两面均制作一层聚酞亚胺薄膜将会提高其拉伸强度和可靠性[23]，发现陡直的硅岛侧壁将会提高聚酞亚胺的附着力。1996年，Fukang Jiang等性湿法腐蚀技术与RIE干法刻蚀技术相结合的方法，为此他们采用KOH各向异制作了一个含有剪切应力传感器阵列的柔性智能皮肤[24]。为了提高智能皮肤的可靠性，他们在实验中选用了一种特种聚酰亚胺材料，即杜邦PI-2808，其拉伸强度高210MPa[25]。然而这些方法只是利用柔性材料做基体，柔性材料本身没有力敏特性。
柔性力敏材料的研究早在“智能皮肤”概念提出之前，力敏材料是指材料在受外力作用时其电学性能发生明显变化的材料。目前最常用的有金属应变电阻材料和半导体压阻材料两大类。利用金属应变电阻效应和半导体压阻效应早在二十世纪五十年代就制成了应变计，当前力敏元件已由单纯的金属、合金、半导体、化合物半导体发展到有机高分子等多种材料。力敏材料用于力学量传感器，主要用于测量力、加速度、压力等物理量。力学量传感器种类繁多应用较为普遍的有电阻式、压阻式、电容式、压电式和光纤式等。在传感器中通常利用弹性元件直接感受被测量，作为测量过程最前端，这样的弹性元件称为弹性敏感元件，即利用弹性变形实现测量机理的元件就是弹性敏感元件。弹性敏感元件是传感器、仪器仪表的核心，在传感技术中具有非常重要的作用。弹性敏感元件的基本特征包括刚度与柔度、弹性滞后、弹性后效与蠕变、弹性材料的机械品质因数、位移描述、应变描述、应力描述、广义胡克定律、固有谐振频率、弹性元件的热特征。弹性敏感元件的材料以精密合金为主，近年来也出现了性能优良的非金属材料，如半导体硅材料、石英晶体材料、精密陶瓷材料及复合材料等。
八十年代末，越来越多的研究者注意到了聚偏二氟乙烯(PVDF或PVF2)，并用它的各种效应制作触觉传感器。PVDF是七十年代中期发现的优良的压电材料，它具有超薄、柔软、压电性强、线性好、频带宽、效应多等优点，与人的皮肤有天然的相似性，这使得制作类似于人类皮肤的动态柔性触觉传感器大大向前迈进了一步。但无论敏感材料如何柔软，必须有引线将材料产生的电荷引出。当引线较多时，整个传感器的柔性将大大降低。
除了PVDF之外，力敏导电硅橡胶也是一种性能优良的柔性触觉传感器材料，是以导电材料为填充粒子，基体采用胶体的一种复合材料。力敏导电硅橡胶由于其良好的力敏特性越来越受到研究者的青睐。例如美国科学家近日发明了一种能够导电的金属橡胶，它具有许多其他材料所不具备的独特性质，在诸如人造肌肉、智能衣服、活动机翼等多个领域有望获得广泛应用[26]。R.Andrew等[27]研制的柔性皮肤触觉传感器，其外表用柔软的硅橡胶封装，硅橡胶内侧装有许多的导电橡胶应变片，当物体作用于传感器表面时，应变片输出受压信号，根据不同位置的受压信号可以得到传感器表面的压力分布。Takao Someya等人[28]研制出了应用在机器人手的电子皮肤，如图1.1所示。其覆层材料应用掺有石墨的聚合物，按压聚合物的时候，电阻发生变化，内部的晶体管就会记录下变化的数值，但是这种皮肤的制作工艺比较复杂。合肥智能机械研究所[29]提出一种基于导电橡胶的三维力触觉传感器，利用导电橡胶做覆层材料，内部布有触觉传感阵列，设计简单，成本低廉，且性能较好。东南大学、西安交通大学、北京航天航空大学等也开展了这方面的研究工作。

图1-1应用在机器人手上的电子皮肤

1.2.3 炭黑填充型导电硅橡胶
炭黑填充导电硅橡胶在导电硅橡胶复合材料的各种应用中，比较常见的是利用其力敏或温敏效应研究开发的用于各种电子键的开关材料、触感元件、温敏和力敏传感器材料。自从1945年Baker在聚苯基乙基硅烷中加入胶体无烟煤粉，制得最早的导电有机硅复合材料之后，感压复合材料的研究吸引了众多国内外学者的广泛关注。Kost等用机混法研究了炭黑/硅橡胶复合材料体积电阻随应变、时间变化的规律[30]；Skothein则认为导电硅橡胶可能成为新一代的压力传感材料[31]；Nagata提出了力敏导电橡胶的导电数学模型[32]；San等研究了力敏导电橡胶在不同预应变（pre-strain）下导电性的变化[33]，研究表明：复合材料弹性模量与电阻率有相似的变化规律，并且炭黑/硅橡胶复合材料的导电渗滤阈值与橡胶的粘度有关，即橡胶的粘度越高，复合材料的渗滤极限也越高。谢泉等用机械共混复合法研究了炭黑/石墨/nano-SiO2/硅橡胶复合材料的微观结构、拉力－电阻及温度－电阻特性及导电机理[34]，研究表明：加入纳米SiO2可提高复合材料的电阻率－压力的线性性能；万影等采用机械共混复合法研究了导电橡胶的力敏特性及时间响应；清华大学王鹏等[35]，也采用机械共混复合法研究了炭黑/硅橡胶复合材料的压阻特性，认为添加有机溶剂和SiO2纳米粉可以有效的提高炭黑分布的均匀程度和复合材料的弹性模量，从而改善复合材料的压阻性能。
在导电橡胶的制造成型技术方面，主要采用分散效果不是很理想的机械混炼法，现有的公开技术尚不能制得组成均匀、电阻/压力线性相关性优良且连续多次使用的力敏复合材料。合肥工业大学王敏[36]等，采用湿法共混法制备炭黑填充型导电硅橡胶材料，并对其制备方法和性能进行了研究，探讨了各种原材料的选取、配比、工艺参数等因素对注射成型导电橡胶性能的影响。但现有这些技术作为制备开关（on-off）元件和触觉传感器、键用接点材料等是完全可行的，但是要作为制备应力测量用薄型压力传感器的力敏元件，还须采用多种措施以提高复合材料的结构均匀性和性能稳定性，尤其是电阻率与压力的线性相关性。
关于炭黑导电硅橡胶的导电机理的研究包括导电结构的形成和导电粒子间的导电机制。其中炭黑填充型导电硅橡胶导电结构的形成是载流子微观迁移运动的宏观体现，决定着复合材料的电性能，受众多因素的影响，一同绕着它产生了许多理论主要有一同绕着它产生了许多理论，主要有统计渗流、热力学、有效介质和微结构模型。导电粒子之间的导电机制涉及载流子迁移的微观机理，主要理论有导电通路学说，认为导电粒子通过物理接触形成导电链；电子隧道效应理论，认为距离接近的导电粒子间发生隧道效应而产生导电现象；介电击穿及场致发射理论等导电粒子间的导电一般认为是多种效应的综合结果，但多数专家仍将之归为电子隧道效应。
炭黑填充型导电硅橡胶材料的电阻率具有正温度系数(PTC)效应和负温度系数(NTC)效应，导电硅橡胶的电阻率随着温度的升高而增加或减小，但一般在聚合物熔点附近时，随着温度升高会呈现PTC效应，当温度升高到聚合物树脂的熔点附近时，电阻率急剧增大，呈现出明显的PTC效应；电阻率达到峰值后，随着温度的进一步升高又开始急剧地下降，呈现出NTC效应。

1.3 课题的来源、意义和主要内容
本课题是在国家高技术研究发展计划(863计划)项目“用于检测三维力的人工皮肤”（项目编号：2007AA04Z220）和国家自然科学基金项目“一种新型的柔性多维阵列触觉传感器的研究”(项目编号:60672024)的资助下完成的。
由于力敏导电硅橡胶的导电通路的形成与导电填料在基体中的分散聚集情况以及填料与硅橡胶基体界面的微观结构都有着十分密切的关系，因此这种高分子导电复合材料导电机理的研究比较复杂。但作为柔性触觉传感器的基本材料，对其导电机理的研究是十分必要的，尤其是根据材料导电机理而建立的压阻模型是研究该传感器工作特性的重要基础。
本文系统的研究了新型力敏导电硅橡胶的导电机理，并由两种主要的导电理论分别建立了压阻模型，通过实验对两种模型的实用性做了比较。在导电机理研究的基础上讨论了温度对力敏导电硅橡胶导电性能的影响机理，分析了力敏导电硅橡胶的正温度系数（PTC）和负温度系数（NTC）这两种特性，在实验和理论的基础上提出了改善温度特性的方法，使制作出的柔性触觉传感器在不同温度下能正常工作。炭黑的微观结构对于导电网络的形成有着重要的影响，通过对导电硅橡胶的微观结构分析来研究导电炭黑粒子在硅橡胶中的分散方式，是对导电结构的形成和导电粒子间的导电机制的更直观的反映，本文对此进行了一定的探讨。
研究内容大致包括以下几个方面：
第一章：主要介绍国内外触觉传感器技术的研究现状和发展趋势及柔性力敏材料导电机理的主要理论，分析各自的优缺点，以此作为研究工作的基础。
第二章：从宏观和微观理论上研究这种基于柔性触觉传感器的力敏导电硅橡胶材料的导电机理，利用通用导电通路理论和隧道效应理论解释炭黑填充型力敏导电复合材料的导电特性，并进行相应的理论论证。
第三章：依据力敏导电硅橡胶导电机理的两个主要理论，分别建立了两种压阻模型。通过实验研究力敏复合导电硅橡胶的压阻特性，并在实验的基础上对两种模型进行分析比较。
第四章：通过对力敏导电硅橡胶的导电机理的讨论，来研究力敏复合导电硅橡胶的电阻温度特性，并在实验的基础上对改善力敏导电硅橡胶的温度稳定性的方法进行分析。为这种新型柔性触觉传感器材料的温度稳定性研究提供了理论基础。
第五章：借助原子力显微镜和扫描电子显微镜等仪器的实验观察，分析力敏导电硅橡胶的微观结构和填充物的分散方式，为宏观的实验结果和理论分析进行进一步的验证。
第六章：在总结全文的基础上，对今后的研究工作做出了展望。

第二章 力敏导电硅橡胶导电机制的基本理论

对于力敏导电硅橡胶的研究是以其导电机理为研究基础的，作为柔性触觉传感器的基本材料，对其导电机理的研究是柔性触觉传感器工作原理的基础部分，确定了其导电机理才能建立数学模型，为研究柔性触觉传感器提供了基本的理论支持。

2.1 导电高分子材料的导电机理
随着复合导电高分子材料的应用越来越广泛，对导电高分子材料的研究也越来越受到关注，目前关于复合型导电高分子材料的导电机理研究报道也比较多，但由于导电高分子复合材料的导电机理比较复杂，仍然众说纷纭，未达成共识。
复合型导电高分子材料的种类比较繁多，根据填充材料的不同，可以主要分为两类：碳系填充型导电复合材料，金属填充型导电复合材料。聚合物基体本身一般不导电，因此导电硅橡胶的导电机理主要取决于所使用的导电填料。
碳系导电填料，如石墨，炭黑等，是通过本身π电子在高分子体系中迁移形成电流而导电的。而关于碳系导电高分子材料的导电机理一般认为主要包括电子隧道效应、场致发射和导电通道理论。炭黑填充型导电材料是目前复合型导电材料中应用最广泛的一种。一是因为炭黑价格低、实用性强；二是因为炭黑能根据不同的导电要求选择不同的炭黑，达到不同的效果，电阻率也可以根据要求做出相应的调整。
金属填充型导电复合材料起始于20世纪70年代初期，目前使用的方法有表面金属化和填充金属型两种。表面金属化即采用电镀、喷涂和粘贴使高分子材料表面形成一层高导电金属膜；填充金属型主要在高分子材料中填充金属粉末、金属丝，以及填充镀银、镀镍等金属颗粒或镀金属的炭黑等，经过成型加工得到性能较好的导电复合材料。金属系复合材料是由填料本身互相接触的自由电子移动产生的电流。金属粉末的导电机理不像炭黑粒子那样会发生电子隧道跃迁或者电子跳跃，因而在金属粉末之间必须有连续的接触，故需要有大量的填充量，否则导电性会不稳定，甚至绝缘。
在本论文中所研究的力敏导电硅橡胶主要选用炭黑作为导电填料，硅橡胶作为基体的复合材料，人们从多方面进行了广泛深入的研究，建立了许多数学模型或物理模型[37-39]，目前比较流行的有两种理论：一种是宏观的渗流理论，即导电通路学说；另一种是微观的量子力学隧道效应理论(场致发射理论是其一种特殊情况)等。以下将会对碳系导电橡胶的导电机理做详细的介绍。

2.2 有效介质模型和导电通路理论
2.2.1 渗流理论
1957年，数学家J.M.Hammersley研究流体在无序多孔介质中流动时首次提出了渗流理论的概念。研究表明，复合型导电高分子材料也存在渗流现象，即材料的电导率不是随导电粒子的体积分数成正比例地增加，而是当导电粒子的体积分数增大到某一临界值时，其电导率突然增加，变化幅度可达10个数量级。此后，随导电粒子体积分数的增加电导率缓慢增加，这种现象被称为导电渗流现象，相应的导电粒子体积分数的临界值称为渗流阈值。复合型导电高分子作为一种新型的功能性高分子材料，用途极为广泛，其导电机理的研究也越来越引起人们极大的兴趣。在复合型导电高分子材料研究中比较流行的几种渗流模型：统计渗流模型、界面热力学模型、有效介质模型以及双渗流模型。统计渗流模型从统计学理论出发，主要讨论了导电填料含量、几何尺寸等因素对渗流网络形成的影响，可以在一定程度上解释在临界体积分数时导电网络的形成，但统计渗流理论却难以解释为何复合体系的渗流阈值与所选用的导电填料及基体树脂的种类有关。并且上述几种理论模型都在有意无意中过分强调了导电物质的几何尺寸因素，并没有考虑体系的热力学因素，忽略了基体和填料间界面差异。而实际上由于基体树脂和导电填料种类的不同，存在着基体树脂和导电填料的界面间的分离、亲和性等问题。即基体树脂与导电填料之间的界面效应对复合体系中导电回路的形成有很大的影响。
Sumita的界面热力学模型考虑到统计模型的缺点，认为“渗滤”实际是一种相分离过程，驱动力是界面能过剩，推导出渗流阈值公式。但这一公式只在平衡态时成立，事实上导电填料在体系中的分散过程总是远离热力学平衡态。考虑到聚合物粘度对相分离过程的动态平衡影响，引入非平衡热力学理论进行了修正。Miyasaka模型考虑到了复合材料制备的过程中，如热处理方式、时间、熔体的粘度等对界面状况的影响，对模型进行了动力学修正，但也是在近平衡态作出，且模型仅适用于非极性的基体树脂。Wessling的“动态界面模型”是基于非平衡热力学，但模型存在假设条件太多的问题，与实际情况差距太多，且有些模型参数还无法解析。
有效介质模型对复合体系整体作了平均化处理，给出的电阻率"填料含量关系可适用于所有含量区域，但由于它是一种平均场理论，故预期的渗滤阀值比实验值偏高。但有效介质模型回避了热力学和动力学过程中各种因素对导电性能的直接影响、简化了问题，当然也就无法彻底揭示导电通路的形成机制。碳黑填充共混型聚合物复合材料中的双渗流行为能够使材料在碳黑渗流阈值极低的情况下具有良好的导电性，而低渗流阈值意味着更少的导电填料含量，这对改善体系的力学性能、关学性能、加工性能和降低成本有着极为重要的意义。并且双渗流行为在消除NTC现象方面也显示出了独特的功能，因此相关方面的研究愈来愈受到人们的关注。
为了进一步研究复合材料的导电网络的形成机理，一些研究者们从复合材料最终的微观结构参量出发进行了相关的研究。如：Rajagopol等人考虑了基体聚合物颗