一种基于碳纳米管膜的复合材料各向应变监测方法技术

本发明专利技术公开了一种碳纳米管膜/复合材料一体化成型应变监测方法，包括：制备碳纳米管取向膜；将碳纳米管膜根据需求切割成U型齿状传感器；将上述加工好的碳纳米管膜应变传感器与树脂进行复合，预固化成为碳纳米管膜预制体；复合材料的铺层，将碳纳米管膜预制体铺于复合材料预浸料的上下表面，形成可进行应变监测的碳纳米管膜复合材料；连接电极材料，在线监测应变，通过多种加载模式施加于复合材料，记录电阻仪的变化，计算出应变的实时变化。本发明专利技术制备的碳纳米管膜复合材料应变传感器能有效监测复合材料上各种形式的应变，响应迅速，敏感度高，克服了传感器泊松效应导致的多方向应变的影响，同时通过牵伸取向更好发挥了碳纳米管自身的压阻特性。

Strain monitoring method for composite material based on carbon nanotube film

The invention discloses a carbon nanotube composite film / integrated strain monitoring method, including: preparation of carbon nano tube to the membrane; carbon nanotube film according to the demand of cutting into U type carbon nanotubes film sensor dentate; strain sensor and the processing of composite resin, pre solidified into the carbon nanotube film preform; laminates, the carbon nanotube film laid on the preform of composite material prepreg on the surface, the formation of carbon nanotube composite material for strain monitoring; connecting electrode materials, on-line monitoring of strain, through a variety of loading mode is applied to the composite material, record the change of resistance instrument, calculate the real-time change strain. Carbon nanotube composite strain sensor prepared by the invention can effectively monitor the composite materials of various forms of strain, fast response, high sensitivity, leading to overcome the multi direction strain sensor Poisson effect, at the same time by drawing orientation played a better carbon nanotubesthrough piezoresistive characteristics of itself.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种碳纳米管取向膜及其复合材料的制备方法，通过合理的结构设计，该碳纳米管膜与复合材料一体化成型后能够实现材料的各向应变监测。
技术介绍
自1991年日本电镜专家Iijima发现碳纳米管(CNTs)以来，不同领域的专家们对这种独特的一维石墨结构产生了浓厚的兴趣。碳纳米管具有极高的拉伸强度、弹性模量和弹性变形，其综合性能高于任何已发现的传统材料。例如单壁碳纳米管的模量高达1TPa(约为钢的5倍)，其拉伸强度普遍分布于50–200GPa，并且单壁碳纳米管的密度只有1.2g/cm3左右。因此，碳纳米管复合材料较目前的高性能碳纤维复合材料更轻、更强。此外，碳纳米管具有优异电、导热和热稳定性能，故碳纳米管复合材料被认为是最具潜力替代碳纤维复合材料同时实现结构/功能一体化的下一代先进复合材料。在碳纳米管的众多应用领域中，由碳纳米管的压阻性能所决定的其在应变传感器领域的作用引人关注。碳纳米管具有优异的压阻性能，单根碳纳米管在1％的应变范围下电阻能变化75倍，对形变具有极佳的敏感性，是应变敏感元件的极佳材料。碳纳米管自身的压阻性能和碳纳米管之间的接触电阻，使碳纳米管膜也具有良好的应变敏感性，同时更具有好的加工性能，更适用于宏观结构材料的应变监测。清华大学和鸿富锦精密工业(深圳)有限公司共同申请的专利CN200910188746.9“应变测量装置及测量方法”公开了一种应变测量装置，其包括：一应变片；一用于夹持并拉伸所述应变片的夹持装置，所述应变片在拉伸方向上产生纵向应变，在垂直于拉伸方向上产生横向应变；以及一用于测量所述应变片的横向应变的图像记录装置；其特征在于，所述应变片包括一碳纳米管膜结构，该碳纳米管膜结构包括多个碳纳米管，所述多个碳纳米管分别沿一第一方向与一第二方向择优取向排列，沿第一方向择优取向排列的碳纳米管与沿第二方向择优取向排列的碳纳米管重叠交叉设置，所述第一方向与第二方向具有一夹角，所述夹角大于0小于180度，使用时，应变片是沿所述第一方向与第二方向的夹角的平分线的方向设置在夹持装置。利用该类方法监测时传感器沿着监测应变方向变形外，受泊松效应的影响在垂直监测方向发生形变，这些因素都会造成监测信号的变化。利用本专利技术方法，可降低垂直监测方向应变影响。此外，将碳纳米管膜与复合材料一体化成型，能制造出在使用的各个过程中实时监测应变的复合材料。比起现有的应变传感器，碳纳米管膜传感器具有更大的应变敏感性，更佳的环境耐受性以及能与复合材料一体化成型的优点。上海复合材料科技有限公司的专利CN201610546596.4“结构/加热一体化复合材料及其制备方法”提供了一种结构/加热一体化复合材料及其制备方法；所述复合材料为包括增强体层、碳纳米管膜/树脂复合层的多层结构；所述增强体层、碳纳米管膜/树脂复合层依次铺层。所述方法为将碳纳米管膜/树脂复合层与电极连接，然后作为加热部件铺放于增强体层间或表面，通过一体化成型工艺制备复合材料。该专利技术制备的复合材料具有优异的力学性能和电加热特性，在深空探测、极地观测、民用电子器件等领域具有非常广阔的应用前景。其复合材料的拉伸强度和模量较相应材料体系的结构复合材料分别提高3％以上，150℃以内的任何加热温度均可在5分钟以内达到平衡，并且在150℃下连续加热200小时，电阻变化小于5％。该方法利用碳纳米管膜仍然不能克服材料多方向应变对电信号的影响，同时无规取向的碳纳米管膜主要依靠碳纳米管间的电阻变化实现压阻特性，通过取向后碳纳米管承载能力更强，可以更好发挥碳纳米管自身的压阻特性。现有技术大多采用颗粒填充树脂的形式来制备碳纳米管复合材料，但受到碳纳米管难分散和无规分布的影响其复合材料的性能远低于预期水平。目前已经发展出许多碳纳米管分散技术，如超声、三辊研磨、球磨和螺杆挤出，然而利用这些技术很难制备分散良好的高碳纳米管含量复合材料，并且随着碳纳米管含量的增加体系的粘度大幅度提高，对成型工艺产生影响。采用碳纳米管膜与树脂进行整体复合的方法能有效避免上述缺陷，充分发挥碳纳米管膜良好的力学，功能特性。同时，采用传统整片的碳纳米管膜进行应变监测过程中，因压阻效应碳管膜的电阻受到多个方向形变的综合作用，亟需发展一种应变监测方法，实现某一方向的应变监测。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种碳纳米管膜/复合材料一体化成型应变监测方法。为了实现这一目的，本方法采用以下技术方案。一种碳纳米管膜/复合材料一体化成型应变监测方法，包括如下步骤：(1)制备无规碳纳米管薄膜，并通过机械牵伸制成碳纳米管取向膜；(2)将上述碳纳米管取向膜加工成具有连续U型齿状的碳纳米管膜应变传感器；(3)碳纳米管膜的预浸，将上述加工好的碳纳米管膜应变传感器与树脂进行复合，预固化，成为碳纳米管膜预制体；(4)碳纳米管膜应变传感器布设与复合材料成型，将上述碳纳米管膜预制体铺于复合材料预浸料的上下表面得到复合材料，将所述复合材料加压固化，形成可进行应变监测的碳纳米管膜复合材料；(5)连接电极材料，在线监测应变，将可进行应变监测的碳纳米管膜复合材料的电极连接到外接电路，通过多种加载模式改变复合材料的形状，记录电阻仪的变化，计算出应变的实时变化。所述步骤(1)中无规碳纳米管薄膜由几十至几百层厚度不低于0.1μm的碳纳米管薄层构成，碳纳米管在薄膜面内二维分布，无规取向，不沿厚度分布。所述步骤(1)中无规碳纳米管薄膜的成型过程中，碳纳米管与碳纳米管薄膜同时形成；同时该碳纳米管膜具有良好的牵伸性，可通过机械牵伸改变碳纳米管的取向。所述步骤(1)中采用多滚轴系统来改变碳纳米管膜的牵伸率制备碳纳米管取向膜，各个滚轴的转动速度从进料端至出料端速率依次递增，滚轴速度1mm/min-30mm/min。所述步骤(2)中，将切割成片状碳纳米管取向膜加工成所需要的连续U型齿状，制成碳纳米管膜应变传感器，加工后齿状碳纳米管膜窄带宽度0.2-1mm，碳纳米管传感段间隙0.5-1mm，碳纳米管膜齿边长度与宽度比值大于5。从而延长了碳纳米管膜应变传感的有效长度，最大程度发挥了碳纳米管自身的压阻效应，同时克服了监测某方向应变时垂直方向的泊松效应造成的影响。所述步骤(3)中采用热固性或热塑性树脂浸渍加工后的碳纳米管膜。对于热固性树脂，利用热固性树脂的纤维预浸料，按照模具-预浸料-带孔四氟布-碳纳米管膜-带孔四氟布-预浸料-带孔四氟布-碳纳米管膜-带孔四氟布-预浸料-模具的顺序在热压机中进行热压，可一次制备多层预浸的碳纳米管膜。其中所用的预浸料树脂质量分数大于38wt％。在热压机中以低于树脂体系固化温度20-30℃的温度，以5-10MPa的压力进行热压至树脂固化度50-70％。对于热塑性树脂，可将其溶于极性溶液，配置成1wt％-5wt％的树脂溶液，浸渍碳纳米管膜，其后将碳纳米管膜铺放与模具上，利用真空袋压保证碳纳米管膜平整，同时促进溶剂挥发。所述树脂体系是指聚乙烯、聚乙烯醇、环氧树脂、双马树脂、聚芳基乙炔树脂和聚酰亚胺中的任意一种或多种。所述步骤(4)中将预浸料按照铺叠顺序铺叠成复合材料预成型体，并且在上下两表面分别沿着相互垂直方向铺放碳纳米管膜应变传感器预制体，可分别监测相互垂着的两个方向的复合材料应变。同时对于导电纤维制备的预浸料和碳纳米管本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纳米管膜/复合材料一体化成型应变监测方法，包括如下步骤：(1)制备无规碳纳米管薄膜，并制成碳纳米管取向膜；(2)将上述碳纳米管取向膜切割成片状材料，加工成U型齿状碳纳米管膜应变传感器；(3)碳纳米管膜的预浸，将上述加工好的碳纳米管膜应变传感器与树脂进行复合，预固化，成为碳纳米管膜预制体；(4)复合材料的铺层，将上述碳纳米管膜预制体铺于复合材料预浸料的上下表面得到复合材料，将所述复合材料加压固化，形成可进行应变监测的碳纳米管膜复合材料；(5)连接电极材料，在线监测应变，将可进行应变监测的碳纳米管膜复合材料的电极连接到外接电路，通过多种加载模式改变复合材料的形状，记录电阻仪的变化，计算出应变的实时变化。

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管膜/复合材料一体化成型应变监测方法，包括如下步骤：(1)制备无规碳纳米管薄膜，并制成碳纳米管取向膜；(2)将上述碳纳米管取向膜切割成片状材料，加工成U型齿状碳纳米管膜应变传感器；(3)碳纳米管膜的预浸，将上述加工好的碳纳米管膜应变传感器与树脂进行复合，预固化，成为碳纳米管膜预制体；(4)复合材料的铺层，将上述碳纳米管膜预制体铺于复合材料预浸料的上下表面得到复合材料，将所述复合材料加压固化，形成可进行应变监测的碳纳米管膜复合材料；(5)连接电极材料，在线监测应变，将可进行应变监测的碳纳米管膜复合材料的电极连接到外接电路，通过多种加载模式改变复合材料的形状，记录电阻仪的变化，计算出应变的实时变化。2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征是所述步骤(1)中无规碳纳米管薄膜由几十至几百层厚度不低于0.1μm的碳纳米管薄层构成，碳纳米管在薄膜面内二维分布，无规取向，不沿厚度分布。3.根据权利要求1所述的监测方法，其特征是所述步骤(1)中无规碳纳米管薄膜的成型过程中，碳纳米管与碳纳米管薄膜同时形成。同时该碳纳米管膜具有良好的牵伸性，可通过机械牵伸改变碳纳米管的取向。4.根据权利要求1所述的监测方法，其特征是所述步骤(1)中采用多滚轴系统来改变碳纳米管膜的牵伸率制备碳纳米管取向膜，各个滚轴的转动速度从进料端至出料端速率依次递增，各个滚轴的拉伸速率为5mm./min-25mm/min。5.根据权利要求1所述的监测方法，其特征是所述步骤(2)中，将切割成片状碳纳米管取向膜加工成所需要的U型齿状，制成碳纳米管膜应变传感器。6.根据权利要求1所述的监测方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：王绍凯，李敏，王印，顾轶卓，张佐光，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11