通过调节乙炔黑/天然橡胶复合材料中的填料含量来优化应变传感器的性能

《TRANSPORTATION RESEARCH PART D-TRANSPORT AND ENVIRONMENT》：Tailoring Strain Sensor Performance via Filler Content in Acetylene Black/Natural Rubber Composites

本研究采用硫预处理天然橡胶（S-PVNR）为基体，掺入1-12 phr乙炔黑（AB）制备导电天然橡胶（CNR）复合材料。发现AB含量显著影响应变传感性能，在0-338%应变范围内，GF值随AB增加呈现非线性变化，最高达702,944（9 phr）。预拉伸优化了信号稳定性与线性度（R2>0.99），循环测试（5000次）显示导电网络稳定性优异。相较于传统碳基材料，CNR复合材料具有更宽的GF范围、更长的应变适用域及卓越耐久性，适用于可穿戴设备与人机动作监测。

　　这项研究聚焦于开发基于导电天然橡胶（CNR）复合材料的柔性应变传感器，旨在满足可穿戴电子和运动监测领域对高灵敏度、高拉伸性和优异循环耐久性的需求。天然橡胶因其出色的延展性、环保性和生物相容性，成为应变传感器的理想材料之一。而导电填料的引入，尤其是碳基材料，能够显著提升其导电性能，从而实现有效的应变感知。在本研究中，研究人员选择了一种名为“乙炔黑”（Acetylene Black, AB）的导电填料，其独特的结构特征使其在电导率、热导率、低吸湿性以及高液体吸收能力方面表现突出，为应变传感器的性能优化提供了重要支持。

乙炔黑作为一种高纯度的碳材料，具有良好的晶体结构和长链形态，这些特性使其在提升复合材料导电性方面具有显著优势。与传统的碳黑（Carbon Black, CB）相比，乙炔黑不仅在导电性能上更具竞争力，而且在材料的稳定性和可加工性方面也表现良好。这使得它在橡胶基材料中作为导电添加剂具有广泛的应用前景，尤其是在电缆、轮胎、粘合剂、涂料和电子设备等领域。通过将乙炔黑与天然橡胶乳液混合，研究人员成功制备了一种新型导电橡胶复合材料，并对其导电性能、机械性能和形貌进行了系统研究。

研究结果显示，乙炔黑的添加量对复合材料的导电性能产生了显著影响。随着乙炔黑含量从1至5份（phr）逐渐增加，复合材料的体积电导率呈现出六个数量级的提升，从1.21×10?12 S·m?1增长到2.16×10?? S·m?1。这一转变表明，乙炔黑在复合材料中形成了相互连接的导电网络，从而显著增强了材料的导电能力。同时，研究人员还发现，乙炔黑含量的增加不仅提升了传感器的灵敏度，还显著扩展了其可感知的应变范围，最高可达338%。这种广泛应变范围的响应能力，使该材料在实际应用中具备更高的适应性。

为了进一步提升传感器的性能，研究人员对材料进行了预拉伸处理。这一处理不仅增强了导电网络的稳定性，还有效减少了滞后效应，提高了传感器的线性度（R2）。尽管预拉伸会略微降低传感器的灵敏度（即 gauge factor, GF），但整体上，这种处理方式显著改善了传感器的动态响应和重复性。研究团队通过在不同应变范围内测试传感器的性能，发现其在拉伸过程中能够保持良好的导电性和信号稳定性，表现出优异的循环耐久性。这一结果表明，该材料不仅适用于静态应变检测，还能在动态应变条件下保持稳定的性能。

此外，研究还关注了不同乙炔黑含量对传感器响应时间与恢复时间的影响。随着乙炔黑含量的增加，传感器的响应时间与恢复时间均有所延长。这说明，虽然高含量的乙炔黑能够显著提升传感器的导电性与灵敏度，但同时也可能对传感器的动态响应速度产生一定影响。因此，研究团队在选择乙炔黑含量时，需要在导电性、灵敏度与响应速度之间进行权衡，以达到最佳的综合性能。

在实际应用中，这种新型导电橡胶复合材料展现出广阔的应用前景。其高灵敏度和宽应变范围使其能够准确检测人体运动的各种微小变化，同时其优异的循环耐久性确保了在长期使用中仍能保持稳定的性能。此外，材料的柔韧性和良好的生物相容性使其在可穿戴电子设备、软体机器人以及结构健康监测系统等领域具有重要的应用价值。与以往报道的应变传感复合材料相比，该材料在导电性、灵敏度和循环耐久性方面均表现出更优异的性能，进一步证明了其在智能传感领域的潜力。

研究团队还对材料的制备过程进行了详细分析。通过将高氨浓度天然橡胶乳液与乙炔黑进行混合，研究人员成功制备了不同含量的导电复合材料，并对其进行了系统的性能评估。这些评估包括导电性、机械性能、形貌分析以及关键的应变传感参数，如 gauge factor（GF）、滞后效应、信号稳定性、响应时间和恢复时间。通过对这些参数的分析，研究人员能够更全面地了解材料的性能特点，并为其优化提供理论依据。

在材料选择方面，研究人员强调了天然橡胶与导电填料的协同作用。天然橡胶作为基体材料，提供了优异的延展性和机械性能，而乙炔黑作为导电填料，则通过形成导电网络显著提升了材料的导电性。这种组合不仅能够满足应变传感器对高导电性和高延展性的需求，还能确保材料在复杂环境下的稳定性。此外，研究团队还对材料的加工工艺进行了优化，使其能够适用于大规模生产，从而降低制造成本，提高实际应用的可行性。

本研究的成果不仅为应变传感器的开发提供了新的思路，也为相关材料的工程化应用奠定了基础。通过系统的实验设计和数据分析，研究人员成功揭示了乙炔黑含量对导电橡胶复合材料性能的影响规律，为后续研究提供了重要的参考价值。同时，研究团队还强调了该材料在可持续发展方面的潜力，其环保性和可回收性使其成为未来智能传感材料的重要发展方向。

在实际应用中，这种新型导电橡胶复合材料不仅能够用于传统的应变监测领域，还能拓展至更多新兴应用场景。例如，在可穿戴电子设备中，该材料可以用于监测人体运动状态，为健康监测和运动分析提供可靠的数据支持。在软体机器人领域，该材料可以作为柔性传感器，实时反馈机器人的运动状态，从而提高其智能化水平。此外，在结构健康监测系统中，该材料可以用于监测建筑物或桥梁的形变情况，为预防性维护提供科学依据。

综上所述，这项研究通过系统的实验设计和深入的理论分析，成功开发了一种基于导电天然橡胶的新型应变传感器。该传感器在灵敏度、应变范围、循环耐久性和动态响应等方面均表现出优异的性能，为未来智能传感技术的发展提供了重要的材料基础。同时，研究团队还强调了该材料在可持续发展和环保应用方面的潜力，进一步拓宽了其应用前景。未来，随着材料科学和电子工程的不断进步，这种新型导电橡胶复合材料有望在更多领域得到广泛应用，推动智能传感技术的持续发展。