Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Szén nanoszemcsékkel töltött szilikongumi

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Szén nanoszemcsékkel töltött szilikongumi"— Előadás másolata:

1 Szén nanoszemcsékkel töltött szilikongumi
villamos és mechanikai tulajdonságainak vizsgálata, szenzorfejlesztés céljából BOJTOS Attila Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar Mechatronika Optika és Gépészeti Informatika Tanszék

2 Tartalmi áttekintés A szilikongumi rövid bemutatása
A szilikongumi főbb tulajdonságai Az elektromosan vezető szilikongumi villamos vezetési tulajdonságai A szilikongumi alkalmazási területei (szakirodalmi) Hagyományos szilikon alkalmazások Az elektromosan vezető szilikongumi hagyományos alkalmazásai Újszerű alkalmazási lehetőségek (Alkalmazás szenzorként) Mechanikai és villamos vizsgálatok Próbatestek gyártástechnológiája és előkészítése Mérési elrendezések kidolgozása, berendezések fejlesztése Villamos ellenállásméréssel egybekötött mechanikai vizsgálatok (szakító, feszültségrelaxációs, ciklikus húzóvizsgálatok és nyomóvizsgálatok) Impedancia spektrum vizsgálatok különböző terhelési szinten Pásztátázó elektronmikroszkópos vizsgálatok Modellalkotás Végeselem anyagmodell Dinamikai mondell Villamos modell A szilikongumi újszerű alkalmazási lehetőségei (saját kutatások, további lehetőségek) Nyúlásmérő szenzor kifejlesztése biomechanikai alkalmazásokra Flexibilis nyomóerő mérő szenzor kifejlesztése Integrált szenzor aktuátor alkalmazások fejlesztése Publikációk Példákat mutatni

3 A szilikongumi rövid bemutatása
A „monofunkciós” egység lánczáró A „difunkciós” egység lánc- és gyűrűképző A „trifunkciós” és „tetrafunkciós” (keményebb egységek térhálósítók) A szilikonok tulajdonságait meghatározó tényezők A Szerkezet (A monomer egységek határozzák meg) Szerves csoportok tulajdonsága Polimerizáció foka, mértéke Idegen anyagok jelenléte (szennyezők) Idegen anyagok mennyisége A szilikonok fajtái Szilikon folyadékok és olajok (Difunkciós egységekből állnak és monofunkciós végcsoportokat tartalmaznak) Szilikongumi (elasztomerek) (Lineáris szerkezeti (egységek) felépítésű, a molekulatömegük lényegesen nagyobb mint a szilkon folyadékoknál) Szilikon gyanták és lakkok (Részben di- és trifunkciós egységekből felépülő, erősebben térhálósított szerkezetek) [Wacker® Chemie AG] Példákat mutatni

4 Az elektromosan vezető szilikongumi villamos vezetési tulajdonságai
A vezetőképesség változása a korom koncentrációjának függvényében ( perkolációs küszöb). [Enid Keil Sichel ] A vezető szemcsékkel töltött polimer vezetőképessége függ: A mátrix dielektromos állandójától, A töltőanyag vezetőképességétől, Koncentrációjától, Térbeli eloszlásától​​, A részecskék alakjától. A vezetőképességet befolyásoló külső tényzők: Hőmérséklet, Alkalmazott frekvencia, Deformációs állapot, Alagútvezetési modell, a fekete körök a szénrészecskék, a szürke héjak az effektív alagútvezetési távolságok [I. Balberg] Alagútvezetés [J.G. Simmons] Két szénkorom részecske kapcsolatának helyettesítő modellje [ Enid Keil Sichel] Magasan strukturált szénkorom tartalmú polimer kompozit modellje. [I. Balberg] A vezetőképesség és a dielektromos állandó változása a frekvencia függvényében [ Enid Keil Sichel] - A perkolációs küszöb az a határkoncentrációja a töltőanyagnak, amely értéknél a vezetőképesség ugrásszerűen megnő. Ez általában 15 [tf%] (térfogatszázalék) töltőanyag mennyiséget jelent a polimer kompozitban. Egy kritikus tartományon túl a korom mennyiségének növelésével a vezetési tulajdonságok nem javulnak számottevően, azonban a gumi mechanikai jellemzői leromlanak. Egyes korom töltésű polimer kompozitok nem tartalmaznak egybefüggő, folytonos szénhálót, ettől függetlenül elektromosan vezetőképesek. Ennek a jelenségnek a magyarázata az alagúteffektus. A koromrészecskék közötti távolság növekedésével a villamos vezetőképesség exponenciálisan csökken, vagyis az alagútvezetés függ a szomszédos koromfelületek közötti távolságtól. -Szénkorom töltésű polimer kompozitok esetén, amelyeknek a szénkoncentrációja a perkolációs küszöb alatt van, azoknál a váltóáramú ezetőképesség (σAC) a frekvenciával folyamatosan növekszik. A perkolációs küszöb feletti polimerek esetén végtelen klaszter ível át a rendszeren, a váltóáramú vezetőképesség állandó marad, és megegyezik az egyenáramú vezetőképességgel egy karakterisztikus frekvencia értékéig. - alacsony frekvenciákon a vezetőképesség állandó lesz, értéke a magasabb hőmérsékletű mintáknál kisebb, mint a szobahőmérsékletű minták esetében. Magasabb hőmérsékleten a mátrix tágulásával a végtelen méretű csoportosulások felbomlanak, hurkokat alakítanak ki és a vezetőképesség lecsökken.

5 Hagyományos szilikon alkalmazások
[www.butserrubbermoldings.com] [www.hanaco.com] Ipari alkalmazások Tömítések, Gumiharangok, Rezgéscsillapító elemek, Csövek, ballonok, Burkolati elemek, Ragasztó- és töltőanyagként, Festékekek hordozó anyaga, Villamos szigetelő bevonatok, Stb. Orvostechnikai alkalmazások Csővezetékek és különféle szelepek (pl.: egyenirányítás), Ideiglenes bőrpótlás, Ujj izületi protézisek, Ujj hajlító ín implantátum, Testüregszonda, Mellprotézisek, férfi nemi szervi protézisek, Mesterséges vizeletelzáró (AMS 800), Robotmegfogó [TUI] Mell implantátum [quinnplasticsurgerycent] Húgycső, végbél elzáró, [AMS Neosphincter 800] Vénás szelep [MEDICOR] [molnár László: üregszonda] Példákat mutatni Akkomodációs szemlencse [Medicontur Kft] Dr. Rigó I., Dr. Sebesy E. Aktív implantátum

6 Az elektromosan vezető szilikon alkalmazásai
Klaviatúrák, Elektródák, Fűtőtestek, Érintkezők, Antisztatikus elemek, Elektromágneses védelem, Radarárnyékolás, Elektromosan vezető tömítések, [www.hanaco.com] [www.physiosupplier.com] [www.excheap.com] Példákat mutatni [www.tradekorea.com]

7 Újszerű alkalmazási lehetőségek (szakirodalom)
Szenzorfejlesztés szempontjából kedvező tulajdonságok Elektromosan vezető Deformáció hatására változik az ellenállása Nagy rugalmasság (Nyújthatósága akár több100 %) Alkalmazás szenzorként Ruhába épített nyúlásmérő szenzorok, Biometriai szenzorok, Telemanipulációs eszközök, Aktuátorrba integrált nyúlásmérő, Tapintásérzékelő, [Philips] [Wearable Computing Lab. ETH] [Jun-ichiro Yuji, Katsunori Shida] [H. Dohi, A. Yamada, S. Tsudaz, T. Sumikawa, S. Entsu] Y.-J. Yang, M.-Y. Cheng, S.-C. Shih, X.-H. Huang, C.-M. Tsao, F.-Y. Chang, K.-C. Fan Példákat mutatni [Motion Analysis Lab] [Shuichi Wakimoto, Koichi Suzumori, Takefumi Kanda]

8 Mechanikai és villamos vizsgálataink
A vizsgálatok célja: Az anyag villamos és mechanikai tulajdonságainak megismerése, szenzorfejlesztés céljából. Az anyag villamos viselkedésének vizsgálata statikus és dinamikus terhelés hatására. Mechanikai kondicionálás feltételeinek meghatározása. A vizsgálatok oka: A szakirodalomban csak a konkrét szenzor konstrukciókkal végzett vizsgálatok találhatóak. Az alapanyag gyártók által szállított információk nem elégségesek. Kérdéses az alapanyag alkalmazhatósága reprodukálható mérések elvégzésére. Vizsgált anyagok: Elnevezés Keménység [Sh. A] Töltőanyag Elastosil® R570/70 70 Szénkorom Elastosil® R570/50 50 Nusil® R-2631 40 Nusil® R-2637 60 Ezüst / Nikkel

9 Mechanikai és villamos vizsgálataink
Próbatestek gyártástechnológiája és előkészítése Próbadarabok présvulkanizálása. Piskóta alakú szakítóvizsgálati próbatest (ISO 37, L0=20±0,1 mm; v=2±0,2 mm; b=4±0,1 mm) Hengeres nyomóvizsgálati próbatest (ASTM D 575, H0=12,5±0,5 mm; D=28,6 ±0,1 mm) Nyúlásmérő próbatest (nem szabványos, L0=20 mm; v=0,5 mm; b=változó) Hasáb alakú próbatest (nem szabványos, H0=2; 4; 8; 12 mm; a=8x8; 13x13 mm) Elektródák a gumihoz vulkanizálva. (0,14mm huzalátmérőjű és 0,21mm nyílású rézszövet) Villamos kivezetése ráforrasztása.

10 Mechanikai és villamos vizsgálatok
Mérési elrendezések kidolgozása, berendezések fejlesztése Szakító, nyomó és rövid időtartamú relaxációs vizsgálatok elvégzése. (Zwick Z020/TN2S szakítógép, Polimertechnika Tanszék) Relaxációs vizsgálatok (Erőmérő cellával ellátott finommechanikai pozicionáló) A mechanikai vizsgálat során rögzítjük az ellenállás-változást is. (Velleman PC-SCOPE, NI mérésadatgyűjtő kártya)

11 Mechanikai feszültség
Szakítóvizsgálatok Mechanikai feszültség Villamos ellenállás

12 Ciklikus húzóvizsgálatok
A szenzor alkalmazásnak megfelelően Ciklikus húzóvizsgálatok elvégzése is szükséges. Többszöri húzás után mind a mechanikai mind pedig a villamos karakterisztika jelentősen eltért a kiinduló állapottól. Nusil® R-2631 (ShA 40) Villamos ellenállás Mechanikai feszültség Elastosil® R570/70 (ShA 70) Mechanikai feszültség Villamos ellenállás

13 Ciklikus húzóvizsgálatok
Egy „szűz” még terheletlen szenzor ciklikus húzóvizsgálata (jobbra). Az ellenállás maximuma exponenciális függvény szerint csökken az igénybevételek számának növelésével. A szinuszos gerjesztésű ciklikus húzó-igénybevétel frekvenciája 10 Hz. Az ellenállás a megnyúlás függvényében balra (Lo = 20 mm) . Az ellenállás a megnyúlás függvényében (Lo = 20 mm).

14 Nyomóvizsgálatok Ciklikus nyomóvizsgálatok elvégzése.
A nyomóvizsgálatok esetében is jelentkezett a Mullin hatás a villamos ellenállás változásban. A két különböző alapanyagból készült próbatest ellenállása eltérő módon változott a nyomóerő hatására.

15 Feszültségrelaxációs vizsgálatok
A villamos ellenállás az feszültséghez hasonlóan relaxálódik. A nyomóvizsgálatok esetében is jelentkezett a Mullin hatás a villamos ellenállás változásban.

16 Pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálatok
(Anyagtudomány és Technológia Tanszék) Még nyújtatlan próbatest (A) Megnyújtott próbatest (B) Többszöri egnyújtás után (C) Nusil® R-2637; 60 Shore A keménységű, 0,006 Ωcm fajlagos ellenállású, ezüst / nikkel részecskékkel töltött szilikongumi SEM felvétele. Elastosil® R570/50; 50 Shore A keménységű, 5,2 Ωcm fajlagos ellenállású, szénkorom részecskékkel töltött szilikongumi. Elastosil® R570/70; 70 Shore A keménységű, 2,8 Ωcm fajlagos ellenállású, szénkorom részecskékkel töltött szilikongumi. (B) (B)

17 Impedancia spektrum vizsgálatok
R-570/70 és R-2631 jelű vezető szilikongumi vezetési tulajdonságai a frekvencia függvényében. Az időállandók átlagos értéke TR-2631=2*10-5 s; TR-570/70=2*10-4 s R-2631 R-570/70

18 Modellek A vezető szilikon Végeselemes anyagmodellje
Szakítóvizsgálatok eredményeinek preparálása. Megfelelő anyagmodell illesztése. Az anyagmodell verifikálása. a10=0.5407 a01= a20=0.0017 a11= a02= mooney-rivlin hyperelastikus anygmodell.

19 Modellek A vezető szilikon dinamikai modelljének meghatározása.
A szilikon átviteli függvényének meghatározása szintézis módszerrel. A módszer lényege: A mérések útján nyert rendszerválaszt használja. A módszer előnye: Nem „próbálgatással”, nem inverz módon keresi a passzív hálózatot. Az idő és operátortartomány kapcsolata Idő tartomány Operátor tartomány Gerjesztő jel: Feszültségrelaxáció vizsgálat esetén egységugrás Kimenő jel: a relaxációs görbére illesztett függvény Átviteli függvény Mivel a 0. tag viszkozitása így az időállandója is végtelen nagynak tekintendő, az átviteli függvény az alábbi képen módosul a 17 és 18 egyenletek miatt Relaxációs görbére illesztett függvény: σ [MPa] t [s] 4 elemből álló összetett Maxwell modell ε 1,6464 E0 2,4357 η0 A0 T0 E1 0,1486 η1 0,1068 A1 T1 E2 0,1762 η2 0,0606 A2 T2 E3 0,2458 η3 19,4437 A3 T3

20 Modellek A vezető szilikon ellenállás-változásának komponenseinek meghatározása A nyúlásmérő bélyeg nem más mint egy rugalmas deformációt mérő ellenállás. A hagyományos nyúlásmérő bélyegek mérési tartománya: < ε = dl/l < 10-3. A bélyegtényező (k) fémhuzalos bélyeg esetén: 1,8-2,2; Félvezető bélyegnél: Az ellenállás-változás, tenzometrikus és piezorezisztív komponensekből áll. A tenzometrikus komponens csak a geometria változásától függ. Bélyegtényező v. Gauge faktor : A tenzometrikus komponens: A piezorezisztív komponens, az össz ellenállás-változás és a tenzometrikus rész hányadosaként értelmezhető: Az ellenállás-változás , valamint annak tenzometrikus és piezorezisztív része, az 1. és a további húzásokkor. k 1. próbatest 2. próbatest 3. próbatest 0,4 kHz 4 kHz 9,5 kHz 1. mérés 2,38 1,79 2,42 2. mérés 0,86 0,89 1,12 3. mérés 0,92 0,91 1,04

21 A szilikongumi szenzorként való alkalmazásának lehetőségei
Nyúlás és erőmérő alkalmazások Nagyrugalmasságú nyúlásmérő szenzor biomechanikai alkalmazása. Telemanipulációs kesztyű fejlesztése rugalmas nyúlásmérő szenzorok alkalmazásával. Erő ill. nyomáseloszlás mérésére alkalmas rugalmas „szenzorszőnyeg” kialakítása. Taktilis szenzorok, (tapintás, érintés érzékelés, mesterséges bőr, rugalmas robotmegfogók, erő érzékelő műtéti eszközök, stb). A ló lábának mozgása és a benne ébredő terhelések eltér a tisztán szinuszos gerjesztésétől. Annak érdekében, hogy szimulálni tudjuk ezt a mozgást, modelleztük a ló lábának csontvázát. A modell fontos eszköz a szenzor rögzítési módjának kikísérletezéséhez is. A lóláb mechanikai modelljét az Állatorvosi Egyetem és az Ilmenaui Műszaki Egyetem Biomechatronikai Tanszékének közreműködésével terveztük meg. Az ízületeket csapokkal helyettesítettük. Az inakat szilikongumi szalagokkal helyettesítjük.

22 A szilikongumi szenzorként való alkalmazásának lehetőségei
Integrált szenzor - aktuátor konstrukciók Belső nyomással működtetett , rugalmas aktuátorok mozgásállapotának érzékelése. Dugattyú nélküli pneumatikus munkahenger mozgásállapot érzékelése. Féregmozgást megvalósító üregszonda állapotérzékelése. Érzékelő tulajdonságokkal bíró (passzív) szerkezeti elemek Erő érzékelésére alkalmas rezgéscsillapító elem. Nyomást érzékelő tömítések. Terhelést észlelő szerkezeti elemek. Példákat mutatni

23 Összefoglalás A vizsgálatok megmutatták, hogy a vezető nanoszemcsékkel töltött szilikongumi villamos tulajdonságaiban is megjelennek az elasztomerekre jellemző viszkoelasztikus hatások vagy azokhoz hasonló jelenségek (mint a relaxáció, hiszterézis). Ciklikus terhelés hatására, a villamos tulajdonságokban bekövetkező változások exponenciális jelleggel csillapodnak a terhelések számának növelésével. Ez azt jelenti, hogy egy közel állandósult tulajdonságokkalbíró szenzor eléréséhez az anyag mechanikai kondicionálására van szükség az alkalmazás előtt. A kezdeti ciklusokban bekövetkező jelentős változást a SEM vizsgálatok is alátámasztották. Mivel az a mátrixanyag és a töltőanyag szemcséi között fennálló adhéziós kapcsolat megszűnését mutatták. A leterhelés után jelentkező ellenállás-növekedés, a relaxációs és a ciklikus húzó ill. nyomó vizsgálatoknál is jelentkezett. Nagysága a deformáció nagyságával arányos.

24 A kutatáshoz kapcsolódó publikációk
Bojtos Attila , Dr. Huba Antal, Electrical and mechanical testing of conductive silicone rubber filled by carbon black nanoparticles. EuroNanoForum Budapest, May 30 – June Dr. Samu Krisztián, Góz Attila, Egy korszerű gyártástechnológia: A lézeres mikromegmunkálás. GÉP LXI:(11) pp (2010) Application of transparent silicone rubber for force and strain sensor development 28th Danubia-Adria-Symposium on Advances in Experimental Mechanics, 28 September – 01 October, Siófok, Hungary Kiadvány: ISBN , P Szénkorom nanorészecskével töltött szilikon elasztomer kompozit vezetési tulajdonságainak vizsgálata. 8. Országos Anyagtudományi Konferencia, Balatonkenese, október Attila Bojtos, Antal Huba, Impedance analysis of silicone rubber filled by carbon black nanoparticles Materials Science Forum, Megjelenés várható időpontja okt.

25 A témához kapcsolódó szakdolgozatok
Szabó Ákos, Szilikon elasztomerek mechanikai és villamos vizsgálata szenzorfejlesztés céljából. 2010. Horváth Tamás, Finompozícionáló asztal mozgatásának tervezése. 2011. Csóka Dávid, Szilikongumi villamos és mechanikai tulajdonságainak vizsgálata szenzorfejlesztés céljából. Bakai Tamás, Dugattyúrúd nélküli rugalmas munkahenger fejlesztése.

26 egyes mérések elvégzésében való segítségéért .
Köszönöm a figyelmet ! Köszönet a Polimertechnika Tanszék és az Anyagtudomány és Technológia Tanszék egyes mérések elvégzésében való segítségéért . Minőségorientált, összehangolt oktatási és K+F+I stratégia, valamint működési modell kidolgozása a Műegyetemen" c. projekt szakmai célkitűzéseinek megvalósításához. A projekt megvalósítását az Új Széchenyi Terv TÁMOP-4.2.1/B-09/1/KMR programja támogatta.


Letölteni ppt "Szén nanoszemcsékkel töltött szilikongumi"

Hasonló előadás


Google Hirdetések