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Balancing sensitivity, hardness, and response speed in flexible piezoresistive sensors in room-temperature-vulcanized silicone rubber, carbon black, and multiwalled carbon nanotubes via multiparameter-material design

压阻效应 材料科学 硅橡胶 渗流阈值 复合材料 粘度 碳纳米管 复合数 渗透(认知心理学) 硅酮 胡须 硫化 弹性体 导电体 电导率 放松(心理学) 泊松比 联轴节(管道) 碳纤维 炭黑 灵敏度(控制系统) 响应时间 频率响应 无量纲量 渗流理论 印章(徽章) 传感器 压力传感器 电阻率和电导率
作者
Chenguang Guo,Jin Yuan,Chao Feng,Xin Mei,Shengli Xue,Yonghui Xiao,Weibing Dai,Haitao Yue
出处
期刊:Measurement Science and Technology [IOP Publishing]
卷期号:37 (19): 195109-195109
标识
DOI:10.1088/1361-6501/ae6468
摘要

Abstract Flexible piezoresistive sensors are attractive for structural health monitoring; however, the simultaneous optimisation of sensitivity, mechanical compliance, and response speed remains challenging. In this study, room-temperature vulcanized methyl silicone rubber (RTV)/carbon black (CB)/multiwalled carbon nanotube composite sensors are fabricated by solution blending, and the coupled effects of a silane coupling agent (KH-550) and RTV-matrix viscosity on the mechanical, electrical, and sensing performances of the composite are systematically clarified. KH-550 reduces the percolation threshold, lowers bulk resistivity by up to 26.54% at 15 phr CB, and enhances pressure sensitivity by 48.45%, while inevitably increasing hardness. Matrix viscosity is shown to be a key regulator of the dynamic response: decreasing viscosity from 1500 to 300 mPa · s shortens both response and relaxation times by more than 50%. By combining experiments, ABAQUS and stochastic network simulations, we suggest that anomalous piezoresistive behaviour is more likely to occur when the conductive fillers are near the percolation threshold and the conductive network is relatively fragile. Finally, we introduce a dimensionless figure-of-merit F that integrates normalised sensitivity, hardness, and response speed, and construct a bubble chart that identifies a practical window (CB ⩾15 phr, moderate viscosity and 3 phr KH-550) for balanced performance. This study provides a reference for the design and compositional optimisation of functional materials for high-performance flexible piezoresistive sensors.
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