一种制备纳米复合材料压阻式应变传感器的方法技术

本发明专利技术公开了一种制备纳米复合材料压阻式应变传感器的方法，首先将碳基纳米材料和聚合物材料通过有机溶剂混合并依次进行机械搅拌和超声波分散后制成纳米复合材料溶液，然后利用压力桶将纳米复合材料溶液输送至自动喷头进行雾化，利用三轴运动平台操纵自动喷头运动将雾化的纳米复合材料溶液沉积在柔性基底薄膜上形成纳米复合材料涂层，最后再将导电胶涂抹在纳米复合材料涂层的两端制备电极并引出导线，将柔性基底薄膜粘贴在纳米复合材料涂层的中间未涂抹导电胶的部分。本发明专利技术公开的制备方法所使用的仪器设备成本低、易操作、制备效率高，制备的传感器性能高度一致，适合规模化、批量化生产。批量化生产。批量化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种制备纳米复合材料压阻式应变传感器的方法


[0001]本专利技术属于传感器
，具体涉及一种制备纳米复合材料压阻式应变传感器的方法。

技术介绍

[0002]精确的结构应变测量是分析结构性能和检测结构损伤的基础。迄今为止，已经开发出了基于金属和半导体材料的电阻应变计用于结构应变测量。然而，更加庞大的结构尺寸和越发复杂的结构形式使结构应变测量方法面临着巨大的挑战。具体而言，传统电阻应变计的材料成本较高、制备工艺复杂，且具有脆和硬的物理特性，若将其贴附到具有复杂形廓的结构表面，则存在着电阻应变计易脱离、测量误差大等问题。此外，传统电阻应变计的应变测量范围极其有限，并不适合大变形结构的应变测量。柔性的纳米复合材料应变传感器具有更高的灵敏度和更大的应变极限，这为大变形结构的应变测量提供了解决方案。纳米复合材料是通过在聚合物材料中掺杂纳米填充剂改性制成的，由于作为基体的聚合物具有出色的柔韧性，因此纳米复合材料应变传感器可以与具有复杂形廓的结构表面实现共形贴附。而且纳米复合材料应变传感器质量更轻、成本更低，可以将其大面积、高密度地布置在结构表面，甚至将其直接集成在复合材料结构内部。
[0003]根据工作机理，纳米复合材料应变传感器一般被划分为电容式、压电式和压阻式。与电容式和压电式相比，纳米复合材料压阻式应变传感器的结构形式更加简单，因此也更加容易制造，应用也更加广泛。纳米复合材料压阻式应变传感器一般是将纳米填充剂与聚合物材料熔融共混或溶液共混后制成的。基于熔融共混的方法有热压法、熔融沉积成型技术等，基于溶液共混的方法有滴涂法、流延法、旋涂法、静电纺丝技术、喷墨打印技术、喷涂法等。在上述方法中，热压法要求将纳米填充剂和聚合物熔融混合后放入模具并在高温高压下进行模压，这种方法生产效率低、成本高，对模具的材料有较高要求且模具寿命短，制备的传感器薄膜一般厚度很大；熔融沉积成型技术是先将纳米填充剂和热塑性聚合物熔融并挤成细丝，再将细丝熔融沉积固化成型，其工艺比较繁琐、成型速度慢、仅适用于热塑性聚合物材料；滴涂法是直接将纳米填充剂和聚合物制成的纳米复合材料溶液滴注在基底表面后干燥成膜，由于溶液表面张力的影响，在干燥过程中薄膜会出现不均匀的橘皮现象；流延法是将纳米复合材料溶液置于刮刀前方，利用刮刀运动在基底上形成一层薄膜，这种薄膜的厚度不易控制，厚度均匀性差；旋涂法是利用离心力将溶液平铺开制成薄膜，由于半径越大离心力就越大，这使得薄膜的厚度分布也不均匀；静电纺丝技术是利用高压电场将纳米复合材料溶液拉成纤维并铺设成薄膜，薄膜内部的纤维排列混乱，均匀性较差；喷墨打印技术是按需喷墨，薄膜的厚度均匀，但其对材料的要求很高，否则喷头很容易被纳米复合材料溶液堵塞。喷涂法是一种将纳米复合材料溶液雾化喷出并沉积的涂层制备工艺，被广泛应用在涂层制备场景。尤其是一种利用空气雾化的喷涂方法，它所需要的设备成本低廉、操作简单，对材料的要求很低，适用于多种纳米复合材料溶液，制备出来的传感器性能也非常优越，在传感器的批量化和规模化生产方面极具前景。
[0004]然而，目前仍是依赖人工通过手工喷涂的方式制备纳米复合材料压阻式应变传感器，这种方法效率非常低下，而且通常无法对涂层的厚度和均匀性进行精确控制，不仅造成材料浪费，而且导致传感器的性能有很大的差异。此外，纳米复合材料溶液往往含有大量有机溶剂甚至是有毒性的分散助剂，这有害喷涂工人的身体健康。

技术实现思路

[0005]本专利技术将空气雾化喷涂工艺与三轴运动平台结合，提出利用机械化空气雾化喷涂工艺来精确控制涂层的沉积成型过程，并通过设定喷涂次数控制纳米复合材料涂层的厚度，通过采用模塑层决定纳米复合材料涂层的形状和表面积，以避免材料浪费和环境污染以及保障纳米复合材料压阻式应变传感器能够具备一致的性能。本专利技术将提供一种成本低、易操作、效率高，适用于多种纳米复合材料的压阻式应变传感器制备方法。
[0006]本申请实施例公开了一种制备纳米复合材料压阻式应变传感器的方法，利用三轴运动平台带动自动喷头运动，所述自动喷头将纳米复合材料溶液雾化并沉积在柔性基底薄膜上形成纳米复合材料涂层，所述纳米复合材料涂层的厚度通过喷涂次数确定，形状和表面积大小通过模塑层确定，通过在所述纳米复合材料涂层的两端涂抹导电胶制备电极并引出导线，在所述纳米复合材料涂层的中间未涂抹导电胶的部分粘贴带胶的柔性基底薄膜制作而成。
[0007]优选地，在上述制备纳米复合材料压阻式应变传感器的方法中，所述三轴运动平台包含X轴、Y轴和Z轴，X轴与Y轴为互相垂直的水平方向，Z轴为竖直方向，通过X轴和Y轴设定自动喷头的喷涂轨迹，通过Z轴设定自动喷头的喷涂高度，所述自动喷头通过固定挂钩安装在Z轴上，自动喷头上的接口有进液开关接口、进液口、进气口，自动喷头上的旋钮有流量调节旋钮和喷幅调节旋钮。
[0008]优选地，在上述制备纳米复合材料压阻式应变传感器的方法中，所述自动喷头的进液开关接口通过调压阀与空气压缩机相连，当进液开关接口处的气压大于一定值时，纳米复合材料溶液通过进液口进入自动喷头进而被雾化；所述自动喷头的进液口与压力桶相连，压力桶中装有纳米复合材料溶液，压力桶通过调压阀与空气压缩机相连，空气压缩机向压力桶加压将纳米复合材料溶液从进液口输送到自动喷头；所述自动喷头的进气口与空气压缩机相连，从进气口进入自动喷头的压缩空气将从进液口进入自动喷头的纳米复合材料溶液雾化并喷出；所述自动喷头的流量调节旋钮和喷幅调节旋钮分别用于调整纳米复合材料溶液进入自动喷头的流量和纳米复合材料溶液雾化的喷幅。
[0009]优选地，在上述制备纳米复合材料压阻式应变传感器的方法中，所述纳米复合材料溶液是通过将作为纳米填充剂的碳基纳米材料和作为基体的聚合物材料溶解在有机溶剂中并依次进行机械搅拌和超声波分散处理得到。
[0010]优选地，在上述制备纳米复合材料压阻式应变传感器的方法中，所述模塑层放置在加热台上，模塑层包含上下两部分，柔性基底薄膜被夹持在模塑层上下两个部分中间。
[0011]优选地，在上述制备纳米复合材料压阻式应变传感器的方法中，所述模塑层是聚乳酸，模塑层可以利用基于熔融沉积成型原理的3D打印机制造，利用模塑层制得所需形状和表面积大小的纳米复合材料涂层。
[0012]优选地，在上述制备纳米复合材料压阻式应变传感器的方法中，纳米复合材料压
阻式应变传感器为以炭黑(CB)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)分别作为纳米填充剂和聚合物基体材料制成的CB/PVP纳米复合材料压阻式应变传感器，CB被均匀地分散在PVP中。
[0013]优选地，在上述制备纳米复合材料压阻式应变传感器的方法中，CB/PVP纳米复合材料压阻式应变传感器通过在厚度为10μm的CB/PVP纳米复合材料涂层的两端涂抹环氧导电胶制备电极并引出导线，在涂层中间未涂抹环氧导电胶的部分粘贴厚度为10μm的聚酰亚胺薄膜胶带制得。
[0014]优选地，在上述制备纳米复合材料压阻式应变传感器的方法中，CB/PVP纳米复合材料涂层的厚度差异小于0.5μm，CB/PVP纳米复合材料涂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备纳米复合材料压阻式应变传感器的方法，其特征在于，利用三轴运动平台带动自动喷头运动，所述自动喷头将纳米复合材料溶液雾化并沉积在柔性基底薄膜上形成纳米复合材料涂层，所述纳米复合材料涂层的厚度通过喷涂次数确定，形状和表面积大小通过模塑层确定，通过在所述纳米复合材料涂层的两端涂抹导电胶制备电极并引出导线，在所述纳米复合材料涂层的中间未涂抹导电胶的部分粘贴带胶的柔性基底薄膜制作而成。2.根据权利要求1所述的制备纳米复合材料压阻式应变传感器的方法，其特征在于，所述三轴运动平台包含X轴、Y轴和Z轴，X轴与Y轴为互相垂直的水平方向，Z轴为竖直方向，通过X轴和Y轴设定自动喷头的喷涂轨迹，通过Z轴设定自动喷头的喷涂高度，所述自动喷头通过固定挂钩安装在Z轴上，自动喷头上的接口有进液开关接口、进液口、进气口，自动喷头上的旋钮有流量调节旋钮和喷幅调节旋钮。3.根据权利要求2所述的制备纳米复合材料压阻式应变传感器的方法，其特征在于，所述自动喷头的进液开关接口通过调压阀与空气压缩机相连，当进液开关接口处的气压大于一定值时，纳米复合材料溶液通过进液口进入自动喷头进而被雾化；所述自动喷头的进液口与压力桶相连，压力桶中装有纳米复合材料溶液，压力桶通过调压阀与空气压缩机相连，空气压缩机向压力桶加压将纳米复合材料溶液从进液口输送到自动喷头；所述自动喷头的进气口与空气压缩机相连，从进气口进入自动喷头的压缩空气将从进液口进入自动喷头的纳米复合材料溶液雾化并喷出；所述自动喷头的流量调节旋钮和喷幅调节旋钮分别用于调整纳米复合材料溶液进入自动喷头的流量和纳米复合材料溶液雾化的喷幅。4.根据权利要求1所述的制备纳米复合材料压阻式应变传感器的方法，其特征在于，所述纳米复合...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐超，李鹏飞，
申请(专利权)人：西北工业大学太仓长三角研究院，
类型：发明
国别省市：