[发明专利]一种基于碳纳米管三维网络薄膜的应变传感器制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种传感器制备方法，尤其涉及一种基于碳纳米管三维薄膜的应变传感器制备方法，属于材料科学技术领域。 

背景技术

碳纳米管以其优异的热力学性能，压阻性及电性能而成为优异的传感器材料。直接将碳纳米管分散于聚合物基体内，通过复合材料电阻变化监测应变时，碳纳米管复合材料的应变及电阻可表现出较好的线性关系，但是碳纳米管的分子间作用力较大，当直接分散于聚合物基体内时，其巨大的比表面积会导致树脂基体黏度增大，造成复合材料成型困难，从而影响复合材料力学性能，同时由于碳纳米管的含量较低，较难分散等问题也会影响到碳纳米管传感网络的构建及传感精度。 

发明内容

基于上述问题，本发明将碳纳米管薄膜引入传感器领域。碳纳米管薄膜（碳纳米纸）是一种依靠碳纳米管（单壁或多壁）分子间范德华力连接而成，由碳纳米管及其间空隙组成的薄膜状自支撑三维立体结构，其具有高导电性，电磁特性及机械特性，相比于在树脂内添加碳纳米管，碳纳米管薄膜完全由碳纳米管连接而成，具有更加优异的电导性，当铺放于需要进行局部应变监测的复合材料结构时，高密度的碳纳米管网络会对结构局部应力/应变分布具有较好的敏感性，其各向异性特性也使其具有不同方向应力/应变传感性能。 

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种基于碳纳米管三维 网络薄膜的应变传感器制备方法，是通过以下步骤实现的： 

（1）碳纳米管和表面分散剂的混合物通过机械融合的方法制备碳纳米管的单分散水溶液，其中碳纳米管选用多壁碳纳米管、单壁碳纳米管、功能化碳纳米管，表面活性剂选用TX-100、SDS、SDBS，碳纳米管的水溶液浓度控制在0.01-2.5wt%，表面活性剂：碳纳米管质量比=20：1-1：1，机械融合法主要包括研体研磨、磁力搅拌、超声分散、高速离心法。 

（2）将碳纳米管的单分散水溶液倒入真空吸滤装置的上容器在过滤膜上抽滤成膜，过滤膜选用0.22或0.44μm的混纤膜或PTFE膜，控制真空度为40-100kpa。 

（3）将碳纳米薄膜与过滤膜一同放入不锈钢板间压实，放入烘箱内50-150度固化1-10小时，固化完成后剥离滤膜后得到碳纳米管三维薄膜。 

（4）从碳纳米管薄膜上切下长10mm，宽4mm的长方形结构，利用导电胶将4根铜导线（0.2mm直径）固定于碳纳米管薄膜表面，将此传感器埋入复合材料内部（或外贴于复合材料外部）特定位置，按复合材料固化工艺固化成型。 

（5）复合材料静态拉伸实验过程中，利用四探针法分别测量碳纳米管薄膜的电流与电压变化，计算碳纳米管薄膜传感器电阻变化-应变关系曲线，拟合得到应变传感系数S值如下： 

S=ΔR/R0ϵ]]>

其中，S为应变传感系数；ΔR为电阻变化；R₀为初始电阻；ε为应变。 

（6）该碳纳米管三维薄膜应变传感器的电阻率可达到10^-3-10^-5Ω·m，具有较高的电阻-应变线性拟合关系。 

本发明的有益效果及特点： 

（1）该碳纳米管三维网络结构与复合材料结构材料具有很好的界面结合性能，可以与复合材料共同成型，不但不会影响复合材料结构力学性能，而且可以提高复合材料界面结合强度； 

（2）克服了传统应变传感器（电阻应变片、光纤传感器）尺寸较大、埋入复合材料结构内部会影响结构性能的问题，非常适合进行结构内部应变场监测。 

（3）基于碳纳米管三维网络结构的应变传感器具有非常优异的应变传感精度和线性可重复性。 

附图说明

图1为碳纳米管三维薄膜应变传感器外部结构示意图。 

图2为碳纳米管薄膜传感器内部结构的SEM相片。 

具体实施方式

实施例1 

参照图1、图2，一种基于碳纳米管三维网络薄膜的应变传感器制备方法，是通过以下步骤实现的：