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基于MRG_CNT复合材料的磁电阻效应研究.pdf
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1、 仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor2024 年第 1 期基金项目:重庆市自然科学基金 面 上 项 目(cstc2019jcyj-msxmX0005);国家自然科学基金资助项目(61901068)收稿日期:2023-06-18基于 MRG/CNT 复合材料的磁电阻效应研究居本祥1,周光银2,杨 波31.重庆理工大学机械工程学院;2.重庆大学生物工程学院;3.吉林吉恩镍业股份有限公司 摘要:通过在磁流变胶泥(MRG)中加入碳纳米管(CNT)组成复合材料,结合 MRG 的优良磁响应特性与 CNT 的电导特性,以复合材料作为填充材料设计实验敏
2、感元件,建立实验表征系统对复合材料磁电阻效应的静态与动态特性开展了实验研究,并从微观层面分析了磁电阻效应机理,揭示了激励磁场影响复合材料电阻的关键因素。结果表明:复合材料处在磁工作区范围内,敏感元件的电阻值随磁场的增强而衰减,相对变化量达到了 62.2%,同时表现出良好的时间稳定性;实验的动态响应输出与激励磁场的变化趋势高度一致,证明了复合材料具有良好的动态磁电阻响应特性。关键词:磁流变胶泥;碳纳米管;复合材料;敏感元件;磁电阻效应中图分类号:TH71 文献标识码:AStudy on Magneto-resistance Effect Based on Composite Materials
3、of MRG/CNTJU Benxiang1,ZHOU Guangyin2,YANG Bo31.College of Mechanical Engineering,Chongqing University of Technology;2.Bioengineering College,Chongqing University;3.Jilin Jinn Nickel Industry Co.,Ltd.Abstract:Composite materials were formed by adding carbon nanotubes(CNT)to magnetorheological gel(MR
4、G),com-bined with the excellent magnetic response characteristics of MRG and the conductivity characteristics of CNT,the composite ma-terial was used as a filling material to design experimental sensitive component.A characterization system was established to con-duct experimental research on the st
5、atic and dynamic characteristics of the magneto-resistance effect of the composite material,and the mechanism of the magnetoresistance effect was analyzed at the micro level,the key factors of the effect of excitation mag-netic field on the resistance of composite materials were revealed.The results
6、 show that the resistance value of the sensitive ele-ment decreases with the increase of the magnetic field within the magnetic working area,and the relative change reached 62.2%.At the same time,it also exhibits good time stability.The dynamic response output of the experiment is highly consistent
7、with the variation trend of the excitation magnetic field,and proving that the composite material also has good dynamic magnetoresistance response characteristics.Keywords:magnetorheological gel;carbon nanotubes;composite materials;sensitive components;magneto-resistance effect0 引言金属或半导体的载流子在磁场中运动时,
8、受到电磁场变化产生的洛伦兹力作用,致使某些金属或半导体的电阻值存在随外加磁场变化而变化的现象,被称为磁电阻效应。利用该效应可以把磁场、电流、应力、应变等因素引起敏感元件磁学性能的变化转换成电信号的变化,用以检测相应的物理量1-3。依托磁电阻效应设计的传感器具有精度较高、灵敏度高、分辨率高、稳定性和可靠性良好、非接触测量及温度范围宽的特点,可进行动态及静态测量等优点4-5。本研究探索将磁流变胶泥(MRG)的磁敏特性与碳纳米管(CNT)的电导特性相结合制备 MRG/CNT 复合材料,并研究该材料在外磁场激励下的磁电阻效应。虽然磁流变液(MRF)是最早出现的磁流变材料,但沉降稳定性差等问题一直制约其
9、应用和发展,MRG通过采用高黏度基体的方法有效解决了 MRF 的沉降稳定性差的问题,且仍以软磁颗粒作为填充材料,因此 MRG 不仅拥有 MRF 易于控制、响应迅速等优良的磁学性能,同时拓展了潜在应用范围6-9。CNT 由六边形的碳环微结构形成管身,五边形碳环微结构得到的多边形结构组成端帽部分,因独特的空间结构,使其有较大的长径比,即径向尺寸为 nm 级别,轴向尺寸是 m 级,因此,CNT 拥有优良的电学及力学性能,在01 第 1 期居本祥等:基于 MRG/CNT 复合材料的磁电阻效应研究 纳米电子器件、复合材料、电极材料等多领域有诸多的应用10-13。本研究从复合材料制备及敏感元件设计出发,在
10、静态与动态磁场激励作用下通过实验探究该材料的磁电阻效应,并在微观层面分析了磁电阻效应的机理。该复合材料磁电阻效应的研究将对拓展新材料在传感器领域的应用具有积极意义。1 实验敏感元件设计1.1 材料制备复合材料主要由 MRG 与 CNT 组成,其中 MRG 基体选用高黏度二甲基硅油(黏度:500 Pas);软磁填充材料为羰基铁粉(CIP,型号:JCF2-3);CNT 为碳纳米管(型号:HQNANO-CNTs-101-0)。制备过程在常温下进行,首先在烧杯中加入称量的 CIP,再倒入二甲基硅油,二者在电动搅拌器作用下充分搅拌;最后将CNT 加入烧杯中继续搅拌,待三者充分混合后放入真空箱中静置 1
11、h 滤除内部气泡,便可制备出本研究所用的复合材料样品(如图 1(a)所示)。复合材料表现出了较高的黏度与弱流动性,有利于填充材料在其内部形成稳定的分散体系;图 1(b)为CIP 微观结构,颗粒呈现出比较均匀的圆球状形貌,且分散性好;图 1(c)中的 CNT 外径 815 nm,平均长度为 312 m,具有弯曲圆棒状结构。试样中 CNT 与CIP 组份质量百分比分别为 0.8%、60%。1.2 敏感元件为研究复合材料在磁场作用下的磁电阻效应,设计了如图 2 所示的敏感元件。图2 中的结构视图显示复合材料被填充于上下电极片之间,形成三明治结构,该结构被封装在由上下绝缘壳体构成的密闭空间中,对外仅由
12、上下电极引出2 个引脚端子,复合材料所占空间尺寸为:10.0 mm10.0 mm1.0mm。2 实验表征系统本文对磁电阻效应的动态特性与静态特性均开展了实验研究,其动态特性实验表征系统如图3 所示。动态特性表征中包含阶跃磁场激励与脉冲磁场激励,分别对应图 3(a)与图 3(b)的实验系统;图 3(a)中以正对位置安装的电磁铁作为电磁发生器,敏感单元置于两磁极之间,设置可编程直流稳压电源提供激励电压产生相应的阶跃磁场。在图 3(b)中的旋转结构上下两端固定铷铁硼永磁体,形成恒定永磁场(场强为 360 mT),直流稳压电源-2 为电机控制器提供驱动电压,由步进电机带动旋转结构转动经过固定安装的敏感
13、元件时,即可产生脉冲磁场激励;敏感元(a)MRG/CNT 复合材料(b)CIP 微观结构(c)CNT 微观结构图 1 复合材料样品及 CIP 与 CNT 微观结构件与电压转换模块串联,直流稳压电源-1 作为模块的恒定电压源(Vin),利用串联分压原理通过数据采集卡检测模块中的恒值电阻(Rc)两端电压(Vout)变化来表征磁电阻效应动态特性,可表示为Vout=RcRc+RVin(1)式(1)反映了输出电压 Vout与敏感元件电阻(R)间的关系;静态特性表征则是采用图 3(a)中的电磁发生器在不同恒定电压激励下产生的磁场与敏感单元阻值间的关系。3 磁电阻效应静态特性为确定静态特性实验中激励磁场的范
14、围,首先利用振动样品磁强计测试复合材料的磁滞回线,结果如图 4 所示。11 仪 表 技 术 与 传 感 器第 1 期(a)结构爆炸视图(b)结构透视图(c)实物图图 2 实验敏感元件结构及实物样品(a)阶跃磁场激励表征系统(b)脉冲磁场激励表征系统图 3 磁电阻效应动态特性实验表征系统通过磁滞回线测试表明当激励磁场超过 600 mT后磁化强度的变化趋势十分平缓,甚至停滞,即出现了磁饱和现象,由此可将复合材料的磁场作用范围分为磁工作区与磁饱和区;在常温下的磁工作区内通过不同恒定磁场激励来测试敏感元件电阻值来表征复合材料的磁电阻效应,其结果如图 5 所示。在每个恒定磁场激励下使用 LCR 表记录电
15、阻值,可得阻值在不同磁场作用下的变化趋势,随着激励磁场从 0600 mT图 4 复合材料的磁滞回线测试结果图 5 敏感元件电阻值与不同恒定磁场之间的关系逐渐增强,敏感元件的电阻值呈现明显下降趋势,相对变化量达到了 62.2%;另外,还考察了随着时间的延续在不同恒定磁场激励下的磁电阻效应,该实验结果如图 6 所示。图 6 敏感元件在不同恒定磁场下电阻与持续时间的关系从图6 的实验结果可以看出在不同的恒定磁场作用下随磁场的增强,敏感元件阻值显著下降,与图5 的变化趋势一致;在 0150 s 持续测试时间范围内所测试的敏感元件电阻值变化规律相似,即磁场恒定时,电阻值与延续时间近似保持为平行于横轴的线
16、性关系,表明复合材料的磁电阻效应在拥有磁敏特性同时,还具有良好的时间稳定性。21 第 1 期居本祥等:基于 MRG/CNT 复合材料的磁电阻效应研究 4 磁电阻效应机理分析磁敏特性主要由于复合材料中的软磁颗粒 CIP在外激励磁场作用下被磁化,此时 CIP 可被视为磁偶极子,在磁矩作用下颗粒彼此间产生的相互作用力可表示为14F=304r23(m1r0)(m2r0)-m1m2(2)式中:r 为相邻颗粒间距;r0为沿磁矩方向的矢量;m1与 m2为磁偶极矩,其表达式为mi=43a301Hi(3)式中:a 为颗粒半径;0与 1分别为真空及颗粒磁导率;为颗粒磁化系数;Hi为磁场强度。当 2 个磁偶极子沿外
17、磁场方向共轴时,即:m1r0=m1m2r0=m2m1m2=m1m2(4)结合式(2)与式(4)可得两磁偶极子的相互吸引力的大小可表示为F=30m1m22r4(5)由式(3)与式(5)可得:FH2i(6)CIP 虽具有优良的磁学特性,但电导性微弱;而CNT 却具有良好的电导性,已有研究表明作为填充材料其主要导电机制是电子隧穿,即电子通过隧道效应在 CNT 之间传输,且 CNT 的导电能力远超 CIP,不同的 CNT 之间总电阻 RCNT为 CNT 的隧穿接触电阻(RCon)与本征电阻(RInt)之和,RCNT可表示为RCNT=RInt+RCon(7)相较于接触电阻,本征电阻可忽略不计,由 Lan
18、-dauer-Bttiker 公式可得 CNT 间总电阻(RCNT)为15RCNTRCon=h2e21MT+6(kBt)2d2tdE2(8)式中:h 为普朗克常数;e 为电子电荷;M 为填充体系的导电通道总数;T 为电子传输概率;t 为体系所处的温度;kB为玻尔兹曼常数;E 为电子能级。研究在常温下进行时,温度的影响也可忽略,则:RCNTRCon=h2e21MT(9)研究表明电子的传输概率取决于 CNT 间的最短距离,即最短距离越小 T 值越大直至保持不变16。综合式(6)与式(9)的结论,复合材料磁电阻效应的微观机理如图 7 所示。(a)无外磁场作用(b)有外磁场作用图 7 复合材料磁电阻效
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