Тензочувствительный силиконовый сенсор и способ его крепления Российский патент 2023 года по МПК G01L1/22 

Изобретение относится к области сенсорной техники и может быть применено при проведении диагностики состояния изделий космической техники, например, для определения угла раскрытия рефлектора и шпангоута космического аппарата.

При проведении диагностики состояния изделий космической техники необходимо обеспечить плотное прилегание тензочувствительного элемента для обеспечения измерения малых деформаций.

Известен униполярный датчик деформации [патент RU 2685570, опубликован 22.04.2019]. Датчик содержит гибкую подложку, стекловолокно, на которую нанесена смесь углеродных нанотрубок и графитового порошка, а также слой толщиной 5-15 мкм из композиционного тканеинженерного наноматериала в составе акриловой краски и одностенных углеродных нанотрубок с концентрацией 2-3 масс. %. Недостатком данного датчика является наличие подложки, которая затрудняет передачу механических нагрузок на чувствительный элемент.

Крепление датчика на изделии осуществляют стандартными монтажными приспособлениями (винты, кронштейны и т.п.), что не обеспечивает надежного плотного контакта тензочувствительного элемента с контролируемым изделием.

Известен биполярный датчик деформации [патент RU 2662060, опубликован 23.07.2018]. Датчик содержит тонкую пленку толщиной 0,05-0,5 мкм из композиционного наноматериала в составе бычьего сывороточного альбумина или микрокристаллической целлюлозы и многостенных углеродных нанотрубок. Датчик деформации формируют методом нанесения с помощью 3D-принтера. К недостаткам следует отнести то, что при заявленной толщине пленки, равной 0,05-0,5 мкм существует трудность снятия датчика со стола принтера без повреждения и последующего крепления датчика деформации на контролируемом изделии.

Задачей изобретения является обеспечение плотного прилегания сенсора деформации к поверхности трансформируемых элементов космической техники, что повысит точность замеров и достоверность результатов диагностики состояния конструкции.

Поставленная задача достигается тем, что в сенсоре деформаций, выполненном на основе проводящего композиционного наноматериала, согласно изобретению, в качестве матрицы композиционного материала используют полидиметилсилоксан, модифицированный углеродсодержащим материалом в виде одностенных или многостенных углеродных нанотрубок, при следующем содержании компонентов, масс. %:

Полидиметилсилоксан 89,81-89,96 Отвердитель 9,98-9,99 Углеродные нанотрубки 0,06-0,2.

Поставленная задача достигается тем, что в способе крепления тензочувствительного сенсора, включающем размещение сенсора на поверхности контролируемого изделия, согласно изобретению, на изделии предварительно укрепляют при помощи клеевого соединения два нижних электрода, служащих для подсоединения к измерительной системе; затем устанавливают ограничители, задающие габаритные размеры сенсора; заполняют пространство между ограничителями, подготовленной к полимеризации смесью из полидиметилсилоксана, модифицированного углеродсодержащим материалом в виде одностенных или многостенных углеродных нанотрубок, и отвердителя при следующем содержании компонентов, масс. %:

Полидиметилсилоксан 89,81-89,96 Отвердитель 9,98-9,99 Углеродные нанотрубки 0,06-0,2

с последующей выдержкой в течение 24 часов при комнатной температуре, а после снятия ограничителей устанавливают на полимеризованную поверхность при помощи клеевого соединения два верхних электрода.

Электроды выполняют проволочными

Электроды выполняют методами трафаретной, или пиксельной, или 3D-печати.

Технический результат, выраженный в плотном прилегании сенсора деформаций к поверхности трансформируемого изделия, обеспечивается физико-механическими свойствами полидиметилсилоксана и возможностью нанесения смеси заявленных компонентов на сложные поверхности с помощью шпателя.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен тензочувствительный сенсор, закрепленный на поверхности контролируемого изделия совместно с электродами.

На фиг. 2 показаны ограничители размеров сенсора.

Проводящий материал для тензочувствительного сенсора подготавливают следующим образом.

Смешивают жидкий полидиметилсилоксан (силикон) с углеродными нанотрубками (одностенными или многостенными) в механической мешалке при скорости 4500 об/мин в течение 15 мин, после чего на смесь воздействуют ультразвуком частотой 22,5 кГц в течение 15 мин. Смесь подготовлена к нанесению на контролируемое изделие и дальнейшей выдержке (полимеризации).

При закреплении тензочувствительного сенсора, которое проводят параллельно с подготовкой проводящего материала, на поверхность контролируемого изделия 1 (фиг. 1) вначале устанавливают при помощи клеевого соединения два нижних электрода 2. В качестве электродов могут быть применены как проволочные электроды, так и электроды изготовленные методами трафаретной, пиксельной (электропроводящие чернила) или 3D-печати. Электроды служат для дальнейшего подсоединения к измерительной системе. Клеевое соединение не нарушает целостность поверхности изделия и обеспечивает гибкость сенсора. Клей должен быть электропроводящим.

Затем на поверхности контролируемого изделия размещают и фиксируют 2 ограничителя размеров, задающие габаритные размеры сенсора. Ограничители размеров показаны на фиг. 2. Они выполнены из металлической фольги толщиной от 0,1 мм до 2 мм и фиксируются с помощью скотча. Используя шпатель, заполняют пространство между ограничителями и поверхностью изделия, захватывая часть поверхности электродов (примерно на 1 см) смесью 4 подготовленной к полимеризации. Высота нанесенного слоя задается высотой ограничителя и равна расстоянию между поверхностью изделия и поверхностью ограничителя.

После нанесения смеси проводят отверждение проводящего материала при комнатной температуре в течение 24 часов. Снимают ограничители размеров.

Затем на поверхности сенсора симметрично относительно нижних электродов 2 размещают два верхних электрода 3, закрепляя их с помощью клеевого соединения.

В зависимости от технических требований тензочувствительный сенсор может быть выполнен любой формы и размеров при высоте равной 0,1 мм - 2 мм.

В таблице 1 приведены результаты измерения коэффициента тензочувствительности силиконового сенсора, выполненного из полидиметилсилоксана, модифицированного одностенными углеродными нанотрубками.

Коэффициент тензочувствительности разработанного силиконового нанокомпозита варьируется в пределах 5,5-6,7. При увеличении содержания электропроводящей добавки в виде одностенных углеродных нанотрубок отмечается рост коэффициента тензочувствительности.

Заявленный тензочувствительный сенсор обеспечивает плотное прилегание электродов и сенсора к поверхности контролируемого изделия, благодаря используемому материалу, а также заявленному способу крепления. Крепление сенсора к поверхности изделия является простым и надежным. К преимуществам можно отнести отсутствие термического воздействия на контролируемое изделие.

Тензочувствительный силиконовый сенсор и способ его крепления относятся к области сенсорной техники и могут быть применены при проведении диагностики состояния изделий космической техники, например для определения угла раскрытия рефлектора и шпангоута космического аппарата. Тензочувствительный сенсор выполнен из полидиметилсилоксана, модифицированного углеродсодержащим материалом в виде одностенных или многостенных углеродных нанотрубок, при следующем содержании компонентов, мас. %: полидиметилсилоксан 89,81-89,96; отвердитель 9,98-9,99; углеродные нанотрубки 0,06-0,2. Способ крепления тензочувствительного сенсора заключается в том, что на изделии предварительно укрепляют при помощи клеевого соединения два нижних электрода, служащих для дальнейшего подсоединения к измерительной системе, затем устанавливают ограничители, задающие габаритные размеры сенсора и заполняют пространство между ограничителями полидиметилсилоксаном, модифицированным углеродсодержащим материалом в виде одностенных или многостенных углеродных нанотрубок с последующей выдержкой в течение 24 часов при комнатной температуре, а после снятия ограничителей устанавливают на полимеризованную поверхность при помощи клеевого соединения два верхних электрода. Технический результат заключается в плотном прилегании сенсора деформаций к поверхности контролируемого изделия, что позволит повысить точность замеров и достоверность результатов диагностики конструкции. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Тензочувствительный силиконовый сенсор, выполненный на основе композиционного наноматериала, отличающийся тем, что в качестве матрицы композиционного материала используют полидиметилсилоксан, модифицированный углеродсодержащим материалом в виде одностенных или многостенных углеродных нанотрубок, при следующем содержании компонентов, мас. %:

полидиметилсилоксан 89,81-89,96 отвердитель 9,98-9,99 углеродные нанотрубки 0,06-0,2

2. Способ крепления тензочувствительного силиконового сенсора, заключающийся в размещении сенсора на поверхности контролируемого изделия, отличающийся тем, что на изделии предварительно укрепляют при помощи клеевого соединения два нижних электрода, служащих для подсоединения к измерительной системе; затем устанавливают ограничители, задающие габаритные размеры сенсора; заполняют пространство между ограничителями подготовленной к полимеризации смесью из полидиметилсилоксана, модифицированного углеродсодержащим материалом в виде одностенных или многостенных углеродных нанотрубок, и отвердителя при следующем содержании компонентов, мас. %:

полидиметилсилоксан 89,81-89,96 отвердитель 9,98-9,99 углеродные нанотрубки 0,06-0,2,

с последующей выдержкой в течение 24 часов при комнатной температуре, а после снятия ограничителей устанавливают на полимеризованную поверхность при помощи клеевого соединения два верхних электрода.

3. Способ крепления по п. 2, отличающийся тем, что электроды выполняют проволочными.

4. Способ крепления по п. 2, отличающийся тем, что электроды выполняют методами трафаретной, или пиксельной, или 3D-печати.