Пьезорезистивный сенсор на основе силиконового компаунда с графеновым порошком

Актуальность
В современных транспортных системах критически важна точная диагностика деформаций конструкций (кузовов, мостов, рельсов), которая влияет на безопасность, ресурс эксплуатации и экономическую эффективность. Традиционные пьезорезистивные сенсоры на основе металлических сплавов или полупроводниковых материалов имеют ограничения: низкую чувствительность, хрупкость, зависимость от температуры и высокую стоимость. Силиконовые компаунды с графеновым наполнителем предлагают уникальные свойства — гибкость, устойчивость к агрессивным средам, высокую электропроводность и масштабируемость. Их применение в сенсорах позволяет создавать устройства, адаптированные к сложным условиям транспорта (вибрации, перепады температур, влажность). Актуальность проекта усиливается растущим спросом на интеллектуальные системы мониторинга в рамках концепций «умный город» и «Индустрия 4.0», где требуются автономные, энергоэффективные и долговечные датчики. Разработка таких сенсоров также соответствует глобальному тренду на импортозамещение в высокотехнологичных отраслях, включая транспортную инфраструктуру.
Проблема
Существующие пьезорезистивные сенсоры для измерения деформаций в транспорте недостаточно эффективны из-за нескольких факторов. Во-первых, металлические и полупроводниковые аналоги чувствительны к коррозии и механическим перегрузкам, что сокращает их срок службы. Во-вторых, графеновые сенсоры, обладая высокой чувствительностью, часто имеют нестабильные характеристики при циклических нагрузках из-за расслоения наполнителя в матрице. В-третьих, отсутствие технологий массового производства сенсоров на гибкой основе затрудняет их интеграцию в криволинейные поверхности (например, шины, элементы подвески). Кроме того, высокая стоимость графена и сложность его равномерного распределения в полимерной матрице ограничивают коммерциализацию таких решений. Эти проблемы требуют разработки нового композитного материала с оптимизированным соотношением силикона и графена, а также создания конструкции сенсора, обеспечивающей стабильность сигнала при динамических нагрузках и экстремальных условиях эксплуатации.
Цель
Разработать пьезорезистивный сенсор на основе силиконового компаунда с графеновым наполнителем, обладающий повышенной чувствительностью (100 - 10 мкм/м), устойчивостью к температурным колебаниям (-50°C до +150°C) и циклическим деформациям (более 10⁶ циклов), для интеграции в транспортные системы. Цель включает: Создание материала с оптимальной концентрацией графена (1-5% масс.), обеспечивающего линейный пьезорезистивный отклик. Адаптацию сенсора к работе в условиях вибрации, влажности и химических воздействий (антигололедные реагенты, топливо). Результатом станет прототип, пригодный для внедрения в системы мониторинга деформаций мостовых конструкций, железнодорожных путей и элементов грузового транспорта.
Задачи
Материаловедческая оптимизация: Подбор соотношения силикона и графена, изучение влияния дисперсности графена на электропроводность и механические свойства композита. Проектирование сенсора: Моделирование геометрии чувствительного элемента для максимизации отношения сигнал/шум и минимизации гистерезиса. Исследование характеристик: Испытания на растяжение, сжатие с измерением сопротивления; анализ температурной стабильности. Технологическая адаптация: Разработка метода нанесения композита на гибкие подложки, обеспечение адгезии к металлическим/полимерным поверхностям. Оценка экономики: Расчет себестоимости, сравнение с аналогами, подготовка рекомендаций по масштабированию производства.
Результат
Рабочий прототип сенсора с параметрами: диапазон измеряемых деформаций 0,1–10%, чувствительность ≥ 2,5 мВ/Н, рабочая температура -50°C – +150°C, срок службы ≥ 5 лет. Техническая документация, включая рецептуру композита, чертежи сенсора и протоколы испытаний.
Партнёры проекта
ООО Фертранспорт
***