RU2810692C1 - Strain-sensitive silicone sensor and method of its attachment - Google Patents

Abstract

FIELD: sensor technology.

SUBSTANCE: strain-sensitive silicone sensor and the method of its attachment belong to the field of sensor technology and can be used when diagnosing the condition of space technology products, for example, to determine the opening angle of the reflector and frame of the spacecraft. The strain-sensitive sensor is made of polydimethylsiloxane, modified with carbon-containing material in the form of single-walled or multi-walled carbon nanotubes, with the following component content, wt.%: polydimethylsiloxane 89.81-89.96; hardener 9.98-9.99; carbon nanotubes 0.06-0.2. The method of attaching a strain-sensitive sensor is that two lower electrodes, which serve for further connection to the measuring system, are first strengthened on the product using an adhesive connection, then limiters are installed that set the overall dimensions of the sensor and the space between the limiters is filled with polydimethylsiloxane, a modified carbon-containing material in the form of single-walled or multi-walled carbon nanotubes, followed by exposure for 24 hours at room temperature, and after removing the limiters, two upper electrodes are installed on the polymerized surface using an adhesive connection.

EFFECT: tight fit of the strain sensor to the surface of the controlled product, which will increase the accuracy of measurements and the reliability of diagnostic results of the structure.

4 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

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.The invention relates to the field of sensor technology and can be used when diagnosing the condition of space technology products, for example, to determine the opening angle of the reflector and frame of a spacecraft.

При проведении диагностики состояния изделий космической техники необходимо обеспечить плотное прилегание тензочувствительного элемента для обеспечения измерения малых деформаций.When diagnosing the condition of space technology products, it is necessary to ensure a tight fit of the strain-sensitive element to ensure the measurement of small deformations.

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.A unipolar strain sensor is known [patent RU 2685570, published 04/22/2019]. The sensor contains a flexible substrate, glass fiber, on which a mixture of carbon nanotubes and graphite powder is applied, as well as a 5-15 micron thick layer of composite tissue-engineered nanomaterial consisting of acrylic paint and single-walled carbon nanotubes with a concentration of 2-3 wt. %. The disadvantage of this sensor is the presence of a substrate, which makes it difficult to transfer mechanical loads to the sensitive element.

Крепление датчика на изделии осуществляют стандартными монтажными приспособлениями (винты, кронштейны и т.п.), что не обеспечивает надежного плотного контакта тензочувствительного элемента с контролируемым изделием.The sensor is mounted on the product using standard mounting devices (screws, brackets, etc.), which does not ensure reliable tight contact of the strain-sensitive element with the product being monitored.

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.A bipolar strain sensor is known [patent RU 2662060, published 07/23/2018]. The sensor contains a thin film with a thickness of 0.05-0.5 microns of a composite nanomaterial consisting of bovine serum albumin or microcrystalline cellulose and multi-walled carbon nanotubes. The strain sensor is formed by application using a 3D printer. The disadvantages include the fact that with the stated film thickness of 0.05-0.5 microns, it is difficult to remove the sensor from the printer table without damaging it and then attach the strain sensor to the product being monitored.

Задачей изобретения является обеспечение плотного прилегания сенсора деформации к поверхности трансформируемых элементов космической техники, что повысит точность замеров и достоверность результатов диагностики состояния конструкции.The objective of the invention is to ensure a tight fit of the strain sensor to the surface of transformable elements of space technology, which will increase the accuracy of measurements and the reliability of diagnostic results of the state of the structure.

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. %:This task is achieved by the fact that in a strain sensor made on the basis of a conductive composite nanomaterial, according to the invention, polydimethylsiloxane is used as a matrix of the composite material, modified with carbon-containing material in the form of single-walled or multi-walled carbon nanotubes, with the following content of components, mass. %:

ПолидиметилсилоксанPolydimethylsiloxane 89,81-89,9689.81-89.96 ОтвердительHardener 9,98-9,999.98-9.99 Углеродные нанотрубкиCarbon nanotubes 0,06-0,2.0.06-0.2.

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. %:This task is achieved by the fact that in the method of attaching a strain-sensitive sensor, including placing the sensor on the surface of a controlled product, according to the invention, two lower electrodes, which serve for connection to the measuring system, are preliminarily fixed on the product using an adhesive connection; then limiters are installed that define the overall dimensions of the sensor; fill the space between the limiters with a mixture of polydimethylsiloxane, prepared for polymerization, modified with carbon-containing material in the form of single-walled or multi-walled carbon nanotubes, and a hardener with the following content of components, wt. %:

ПолидиметилсилоксанPolydimethylsiloxane 89,81-89,9689.81-89.96 ОтвердительHardener 9,98-9,999.98-9.99 Углеродные нанотрубкиCarbon nanotubes 0,06-0,20.06-0.2

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.followed by exposure for 24 hours at room temperature, and after removing the limiters, two upper electrodes are installed on the polymerized surface using an adhesive connection.

Электроды выполняют проволочнымиThe electrodes are made of wire

Электроды выполняют методами трафаретной, или пиксельной, или 3D-печати.Electrodes are made using screen, or pixel, or 3D printing methods.

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.The technical result, expressed in the tight fit of the strain sensor to the surface of the transformed product, is ensured by the physical and mechanical properties of polydimethylsiloxane and the possibility of applying a mixture of the stated components to complex surfaces using a spatula.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 изображен тензочувствительный сенсор, закрепленный на поверхности контролируемого изделия совместно с электродами.In fig. Figure 1 shows a strain-sensitive sensor mounted on the surface of the product being monitored together with the electrodes.

На фиг. 2 показаны ограничители размеров сенсора.In fig. Figure 2 shows sensor size limiters.

Проводящий материал для тензочувствительного сенсора подготавливают следующим образом.The conductive material for the strain sensor is prepared as follows.

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).Mix liquid polydimethylsiloxane (silicone) with carbon nanotubes (single-walled or multi-walled) in a mechanical stirrer at a speed of 4500 rpm for 15 minutes, after which the mixture is exposed to ultrasound at a frequency of 22.5 kHz for 15 minutes. The mixture is prepared for application to the controlled product and further exposure (polymerization).

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.When attaching a strain-sensitive sensor, which is carried out in parallel with the preparation of the conductive material, on the surface of the controlled product 1 (Fig. 1), two lower electrodes 2 are first installed using an adhesive connection. Both wire electrodes and electrodes made by stencil methods can be used as electrodes. , pixel (conductive ink) or 3D printing. The electrodes serve for further connection to the measuring system. The adhesive connection does not violate the integrity of the product surface and ensures flexibility of the sensor. The glue must be electrically conductive.

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.Then, 2 size limiters are placed and fixed on the surface of the controlled product, setting the overall dimensions of the sensor. The size limiters are shown in Fig. 2. They are made of metal foil with a thickness of 0.1 mm to 2 mm and are fixed with tape. Using a spatula, fill the space between the stops and the surface of the product, capturing part of the surface of the electrodes (approximately 1 cm) with mixture 4 prepared for polymerization. The height of the applied layer is set by the height of the limiter and is equal to the distance between the surface of the product and the surface of the limiter.

После нанесения смеси проводят отверждение проводящего материала при комнатной температуре в течение 24 часов. Снимают ограничители размеров.After applying the mixture, the conductive material is cured at room temperature for 24 hours. Remove size limiters.

Затем на поверхности сенсора симметрично относительно нижних электродов 2 размещают два верхних электрода 3, закрепляя их с помощью клеевого соединения.Then, two upper electrodes 3 are placed on the surface of the sensor symmetrically relative to the lower electrodes 2, securing them with an adhesive connection.

В зависимости от технических требований тензочувствительный сенсор может быть выполнен любой формы и размеров при высоте равной 0,1 мм - 2 мм.Depending on the technical requirements, the strain-sensitive sensor can be made of any shape and size with a height of 0.1 mm - 2 mm.

В таблице 1 приведены результаты измерения коэффициента тензочувствительности силиконового сенсора, выполненного из полидиметилсилоксана, модифицированного одностенными углеродными нанотрубками.Table 1 shows the results of measuring the strain sensitivity coefficient of a silicone sensor made of polydimethylsiloxane modified with single-walled carbon nanotubes.

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.The strain sensitivity coefficient of the developed silicone nanocomposite varies between 5.5-6.7. With an increase in the content of the electrically conductive additive in the form of single-walled carbon nanotubes, an increase in the strain sensitivity coefficient is observed.

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.The claimed strain-sensitive sensor ensures a tight fit of the electrodes and the sensor to the surface of the product being monitored, thanks to the material used, as well as the claimed method of fastening. Attaching the sensor to the surface of the product is simple and reliable. The advantages include the absence of thermal effects on the controlled product.

Claims (7)

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. %:1. A strain-sensitive silicone sensor made on the basis of a composite nanomaterial, characterized in that polydimethylsiloxane is used as a matrix of the composite material, modified with carbon-containing material in the form of single-walled or multi-walled carbon nanotubes, with the following component content, wt. %: полидиметилсилоксан polydimethylsiloxane 89,81-89,9689.81-89.96 отвердитель hardener 9,98-9,999.98-9.99 углеродные нанотрубкиcarbon nanotubes 0,06-0,20.06-0.2 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. %:2. A method of attaching a strain-sensitive silicone sensor, which consists in placing the sensor on the surface of the controlled product, characterized in that two lower electrodes, which serve for connection to the measuring system, are preliminarily fixed on the product using an adhesive connection; then limiters are installed that define the overall dimensions of the sensor; fill the space between the limiters with a mixture of polydimethylsiloxane prepared for polymerization, modified with carbon-containing material in the form of single-walled or multi-walled carbon nanotubes, and a hardener with the following content of components, wt. %: полидиметилсилоксан polydimethylsiloxane 89,81-89,9689.81-89.96 отвердитель hardener 9,98-9,999.98-9.99 углеродные нанотрубкиcarbon nanotubes 0,06-0,2,0.06-0.2, 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.followed by exposure for 24 hours at room temperature, and after removing the limiters, two upper electrodes are installed on the polymerized surface using an adhesive connection. 3. Способ крепления по п. 2, отличающийся тем, что электроды выполняют проволочными.3. The method of fastening according to claim 2, characterized in that the electrodes are made of wire. 4. Способ крепления по п. 2, отличающийся тем, что электроды выполняют методами трафаретной, или пиксельной, или 3D-печати.4. The method of fastening according to claim 2, characterized in that the electrodes are made using screen printing, or pixel printing, or 3D printing.

Images