本发明专利技术属于传感器材料制备技术领域，具体涉及一种监测螺栓连接结构损伤的压阻传感器的制备及应用，其中碳纳米复合材料压阻传感器的制备方法包括以下步骤：制备碳纳米复合材料传感器油墨、碳纳米复合材料压阻传感器喷涂成型：在CFRP螺栓连接结构螺栓接头周围用丙烯酸树脂对连接件表面进行绝缘处理，得到绝缘层，然后在绝缘层表面喷涂碳纳米复合材料油墨得到传感薄膜，即碳纳米油墨导电层；制作压阻传感器。本发明专利技术采用特制碳纳米复合材料传感器油墨制成，具有结构简单，成本低且可塑性强的优点；采用了针对不同损伤形式的电极布局，降低了垫片对传感器监测的影响。
1、碳纤维增强复合材料(cfrp)已经为工程行业制造大型结构提供了多种解决方案，如超过50％的飞机结构材料由cfrp构成，这能够大幅度减少飞行过程的燃油消耗。螺栓连接结构可用于连接大型复合材料结构，并与在役结构的结构完整性相关。然而，由于使用环境的影响，复合材料螺栓连接结构在复杂载荷或外部冲击下经常出现各种失效模式。因此，需要对复合材料螺栓连接的状态进行有效监测。
2、无损检测(ndt)技术，如声发射检测、涡流检测、射线检测和红外检测，可用于检测螺栓连接结构中的缺陷。然而，无损检测技术很难提供螺栓连接结构工作状态的实时信息，并避免结构拆卸的故障风险。现有传感器的直接应用很难满足这项工作的要求。
3、由于碳纳米材料的优异机械性能和电导特性，由碳压阻材料和柔性基底组成的碳纳米复合材料压阻传感器具有高灵敏度，能够用于检测结构细微的应变或压力变化，对于桥梁、大楼、飞机等各种结构的健康状况进行实时监测，预测可能的损伤和故障，具有重要的应用价值。然而大多数当前的研究倾向于将碳纳米复合材料压阻传感器用于人体监测，而不是将其与结构集成，原因在于与结构集成过程中会遇到一些技术挑战，如保证传感器性能的同时满足结构的机械性能要求，解决传感器与结构界面的连接和信号传输问题。
/>技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种监测螺栓连接结构损伤的压阻传感器的制备及应用。
2、为了实现以上目的，本专利技术的技术方案之一为：一种碳纳米复合材料压阻传感器的制备方法，包括以下步骤：
3、(1)制备碳纳米复合材料传感器油墨：将表面活性剂、导电填料、基体材料添加到无水乙醇中，搅拌至完全溶解，得到混合的传感器油墨溶液；然后将所得混合溶液在室温条件下机械搅拌后再进行超声分散，最后经磁力搅拌得到分散完全的碳纳米复合材料传感器油墨；
4、(2)碳纳米复合材料压阻传感器喷涂成型：在cfrp螺栓连接结构螺栓接头周围用丙烯酸树脂对连接件表面进行绝缘处理，得到绝缘层，然后在绝缘层表面喷涂步骤(1)得到的碳纳米复合材料油墨，每次喷涂完后需烘干后再进行下一次喷涂，最终得到基于碳纳米复合材料油墨的传感薄膜，即碳纳米油墨导电层；
5、(3)制作压阻传感器：在步骤(2)得到的传感薄膜表面两端分别涂覆导电银胶制成柔性电极，然后从电极上引出导线，得到基于碳纳米复合材料的压阻传感器。
6、在本专利技术一优选实施方式中，所述步骤(1)中表面活性剂为sdbs、导电填料为cb和碳纳米管cnt、基体材料为pvp，所述碳纳米复合材料传感器油墨中表面活性剂、导电填料、基体材料的浓度分别为0.1-0.3mg/ml、6-8mg/ml、30-50mg/ml，其中cb和cnt的质量比为1:2，cb和cnt的协同作用使得传感器受到应变后电阻变化明显提升了传感器的灵敏度。
7、在本专利技术一优选实施方式中，所述步骤(1)中机械搅拌转速为700-900rpm，机械搅拌时间为2-4h，超声处理功率为200-400w，超声处理时间为0.5-1.5h，磁力搅拌转速为700-900rpm，磁力搅拌时间为2-4h。通过机械搅拌、超声处理和磁力搅拌将导电填料均匀分散在基体中。
8、在本专利技术一优选实施方式中，所述步骤(2)中喷涂是使用喷枪喷涂，喷涂次数为3-8次，每次喷涂前均需将上次喷涂油墨烘干。
9、在本专利技术一优选实施方式中，所述步骤(2)中传感器在喷涂成型前需要使用丙烯酸树脂在螺栓连接结构的表面进行绝缘处理，以避免短路故障。
10、在本专利技术一优选实施方式中，所述步骤(2)中传感薄膜位于螺栓孔周围，长度为20mm-25mm、宽度为12mm-15mm。
11、在本专利技术一优选实施方式中，所述步骤(3)中电极材料为高导电性导电银胶，电极长度5mm-6mm、宽度2mm-3mm，电极布置于螺栓垫片外部，并根据不同损伤的形式特点采用不同的电极排布方法；所述导线为铜导线。
12、为了实现以上目的，本专利技术的技术方案之二为：一种上述方法制得的碳纳米复合材料压阻传感器。
13、在本专利技术一优选实施方式中，所述碳纳米复合材料压阻传感器包括碳纳米油墨导电层、绝缘层、cfrp层和柔性电极。
14、为了实现以上目的，本专利技术的技术方案之三为：一种碳纳米复合材料压阻传感器在监测复合材料螺栓连接结构损伤上的应用。
15、为了实现以上目的，本专利技术的技术方案之四为：一种基于碳纳米复合材料压阻传感器监测复合材料螺栓连接结构损伤的方法，包括采用碳纳米复合材料压阻传感器，数据采集装置具体为示波器，三个电极对与所述示波器之前还连接有一转换开关，切换所述转换开关，使所述电极对的各对电极的电阻信号输入至所述示波器，通过测量不同电极对之间的信号变化来判断螺栓连接结构的损伤类型以及其损伤程度。
16、测试件具体为由螺栓连接的两块cfrp层合板，板长135mm，宽36mm，厚3mm，端距18mm，孔径6mm；所述监测对象为碳纤维复合材料螺栓连接结构，监测的位置是螺孔的四周；所述的碳纳米复合材料传感器安装螺栓连接处。
17、本专利技术还提供了一种特殊的电极排布方法，该排布方法是依据螺栓连接结构损伤形式，根据不同损伤形式的特点进行对应的电极排布设计。对于拉伸损伤，电极对垂直于试件的长边，关于螺孔中心轴线对称分布；对于剪切损伤，一个电极位于螺孔长边轴线正上方，垂直于轴线，一个位于螺栓孔径向外侧，垂直于试件长边；对于挤压损伤，电极对位于螺孔正下方，平行于试件的长边，两个电极关于对称螺孔中心轴线对称。电极之间的区域为传感器监测区域。
18、与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
19、1、本专利技术采用特制碳纳米复合材料传感器油墨制成，具有结构简单，成本低且可塑性强的优点。
20、2、本专利技术制作的碳纳米复合材料传感器油墨由cnt、cb、pvp、sdbs混合，电阻随压力变化明显，灵敏度高。
21、3、本专利技术采用喷涂成型方式，通过传感器的电阻信号监测螺栓连接结构损伤，操作简便，成型速度快，稳定性强，易更换。
22、4、本专利技术采用了针对不同损伤形式的电极布局，降低了垫片对传感器监测的影响。
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【技术保护点】
1.一种碳纳米复合材料压阻传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中表面活性剂为SDBS、导电填料为CB和CNT、基体材料为PVP，所述碳纳米复合材料传感器油墨中表面活性剂、导电填料、基体材料的浓度分别为0.1-0.3mg/ml、6-8mg/ml、30-50mg/ml，其中CB和CNT的质量比为1:2。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中机械搅拌转速为700-900rpm，机械搅拌时间为2-4h，超声处理功率为200-400w，超声处理时间为0.5-1.5h，磁力搅拌转速为700-900rpm，磁力搅拌时间为2-4h。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中喷涂是使用喷枪喷涂，喷涂次数为3-8次，每次喷涂前均需将上次喷涂油墨烘干。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，，所述步骤(2)中传感薄膜位于螺栓孔周围，长度为20mm-25mm、宽度为12mm-15mm。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中电极材料为高导电性导电银胶，电极长度5mm-6mm、宽度2mm-3mm，电极布置于螺栓垫片外部，并根据不同损伤的形式特点采用不同的电极排布方法，所述导线为铜导线。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的制备方法制得的碳纳米复合材料压阻传感器，其特征在于，包括碳纳米油墨导电层、绝缘层、CFRP层和柔性电极。
8.一种如权利要求7所述的碳纳米复合材料压阻传感器在监测复合材料螺栓连接结构损伤上的应用。
9.一种基于权利要求7所述的碳纳米复合材料压阻传感器监测复合材料螺栓连接结构损伤的方法，其特征在于，包括采用碳纳米复合材料压阻传感器，数据采集装置具体为示波器，三个电极对与示波器之前还连接有一转换开关，切换所述转换开关，使电极对的各对电极的电阻信号输入至所述示波器，通过测量不同电极对之间的信号变化来判断螺栓连接结构的损伤类型以及其损伤程度。
10.一种如权利要求7所述的碳纳米复合材料压阻传感器的电极排布方法。
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【技术特征摘要】
1.一种碳纳米复合材料压阻传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中表面活性剂为sdbs、导电填料为cb和cnt、基体材料为pvp，所述碳纳米复合材料传感器油墨中表面活性剂、导电填料、基体材料的浓度分别为0.1-0.3mg/ml、6-8mg/ml、30-50mg/ml，其中cb和cnt的质量比为1:2。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中机械搅拌转速为700-900rpm，机械搅拌时间为2-4h，超声处理功率为200-400w，超声处理时间为0.5-1.5h，磁力搅拌转速为700-900rpm，磁力搅拌时间为2-4h。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中喷涂是使用喷枪喷涂，喷涂次数为3-8次，每次喷涂前均需将上次喷涂油墨烘干。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，，所述步骤(2)中传感薄膜位于螺栓孔周围，长度为20mm-25mm、宽度为12mm-15mm...
【专利技术属性】
技术研发人员：颜佳佳，孙茂之，杨媛媛，宋沛强，刘琦牮，王凯，卿新林，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：
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