[发明专利]多应用场景的高分子材料基原位传感器

说明书

本发明公开了传感器及其制备方法、传感装置。该传感器包括高分子基体和碳化层，其中，所述碳化层是通过对所述高分子基体的部分表面进行原位碳化形成的。由此，该碳化层可以感知应变或温度变化，进而产生电阻信号，通过对电阻信号进行处理即可对高分子材料的服役情况进行实时检测和监测。

技术领域

本申请涉及传感器领域，具体地，涉及传感器及其制备方法、传感装置。

背景技术

高分子材料(如碳纤维增强聚醚醚酮等)具有优良的机械性能、热稳定性、摩擦性能、耐化学腐蚀性、抗疲劳性能和抗辐射性能等，可以适应恶劣复杂的服役环境，因此，在军工、航空航天和载运工具(包括车辆、船舶、集装箱等)等诸多领域都有广泛的应用，已经呈现出取代传统金属材料成为飞机和汽车等大型机械设备关键零部件和支承结构主要材料的趋势。因此，如何对服役期的高分子材料部件的服役状况进行有效检测，及时发现并修复/更换损坏的高分子部件，对于维持大型机械设备的系统健康以及可持续运行具有重大意义。但目前尚未发现可实时检测和监测高分子材料部件的服役情况的有效案例。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：

如前所述，目前还未发现可以实时检测和监测高分子材料部件的服役情况的有效案例，为了至少在一定程度上解决上述问题的至少之一，发明人通过大量研究发现，可以对高分子材料的部分表面进行原位碳化形成碳化层，而该碳化层可以感知高分子部件的应变或温度变化进而产生电阻信号，通过对该电阻信号进行处理可以了解高分子材料部件是否出现损伤，进而实现实时检测和监测高分子材料的服役情况的目的。

有鉴于此，在本发明的一方面，本发明提出了一种传感器，该传感器包括高分子基体和碳化层，其中，所述碳化层是通过对所述高分子基体的部分表面进行原位碳化形成的。由此，该碳化层可以感知应变或温度变化，进而产生电阻信号，通过对电阻信号进行处理即可对高分子材料的服役情况进行实时检测和监测。

根据本发明的实施例，所述碳化层包括至少一个子碳化层。

根据本发明的实施例，所述子碳化层的形状为矩形、圆形、椭圆形或菱形。由此，子碳化层可以有效感知应变或温度变化，并转化为电阻信号。

根据本发明的实施例，所述高分子基体的材质包括碳纤维增强聚醚醚酮、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、酚醛树脂、聚苯乙烯、环氧树脂中的至少之一。由此，高分子基体具有优异的性能，并且能够通过原位碳化形成碳化层。

在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备前面所述的传感器的方法，该方法包括：提供高分子基体；对所述高分子基体的部分表面进行原位碳化，形成碳化层。由此，可以通过简便的工艺形成碳化层，并且，形成的碳化层可以有效感知并反馈应变或温度变化，总的来说，利用该方法形成的传感器可以用于实时检测和监测高分子材料的服役情况。

根据本发明的实施例，在对所述高分子基体的所述部分表面进行原位碳化之前，进一步包括：在所述高分子基体的所述部分表面形成氧化石墨烯层或金属层。

根据本发明的实施例，所述原位碳化的方式为激光辐照或X射线辐照。

根据本发明的实施例，所述激光辐照的激光为紫外纳秒激光，功率为5W-10W，重复频率为40kHz-100kHz，扫描速度为20-110mm/s，离焦量为2-10mm。由此，在上述条件下，可以对高分子材料进行原位碳化，并形成能够感知应变或温度变化的碳化层。

根据本发明的实施例，所述X射线辐照的能量密度大于0.83J/mm²，由此，可以采用该能量密度范围的X射线能够在高分子材料的表面形成碳化层，有利于碳化层的形成。