[发明专利]一种基于碳纳米管膜的复合材料各向应变监测方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。利用本发明方法，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。