CN106643464B - 一种基于碳纳米管膜的复合材料各向应变监测方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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。
上海复合材料科技有限公司的专利CN201610546596.4“结构/加热一体化复合材料及其制备方法”提供了一种结构/加热一体化复合材料及其制备方法；所述复合材料为包括增强体层、碳纳米管膜/树脂复合层的多层结构；所述增强体层、碳纳米管膜/树脂复合层依次铺层。所述方法为将碳纳米管膜/树脂复合层与电极连接，然后作为加热部件铺放于增强体层间或表面，通过一体化成型工艺制备复合材料。该发明制备的复合材料具有优异的力学性能和电加热特性，在深空探测、极地观测、民用电子器件等领域具有非常广阔的应用前景。其复合材料的拉伸强度和模量较相应材料体系的结构复合材料分别提高3％以上，150℃以内的任何加热温度均可在5分钟以内达到平衡，并且在150℃下连续加热200小时，电阻变化小于5％。该方法利用碳纳米管膜仍然不能克服材料多方向应变对电信号的影响，同时无规取向的碳纳米管膜主要依靠碳纳米管间的电阻变化实现压阻特性，通过取向后碳纳米管承载能力更强，可以更好发挥碳纳米管自身的压阻特性。
现有技术大多采用颗粒填充树脂的形式来制备碳纳米管复合材料，但受到碳纳米管难分散和无规分布的影响其复合材料的性能远低于预期水平。目前已经发展出许多碳纳米管分散技术，如超声、三辊研磨、球磨和螺杆挤出，然而利用这些技术很难制备分散良好的高碳纳米管含量复合材料，并且随着碳纳米管含量的增加体系的粘度大幅度提高，对成型工艺产生影响。采用碳纳米管膜与树脂进行整体复合的方法能有效避免上述缺陷，充分发挥碳纳米管膜良好的力学，功能特性。同时，采用传统整片的碳纳米管膜进行应变监测过程中，因压阻效应碳管膜的电阻受到多个方向形变的综合作用，亟需发展一种应变监测方法，实现某一方向的应变监测。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳纳米管膜/复合材料一体化成型应变监测方法。为了实现这一目的，本方法采用以下技术方案。
一种碳纳米管膜/复合材料一体化成型应变监测方法，包括如下步骤：
(1)制备无规碳纳米管薄膜，并通过机械牵伸制成碳纳米管取向膜；
(2)将上述碳纳米管取向膜加工成具有连续U型齿状的碳纳米管膜应变传感器；
(3)碳纳米管膜的预浸，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；
(4)碳纳米管膜应变传感器布设与复合材料成型，将上述碳纳米管膜预制体铺于复合材料预浸料的上下表面得到复合材料，将所述复合材料加压固化，形成可进行应变监测的碳纳米管膜复合材料；
(5)连接电极材料，在线监测应变，将可进行应变监测的碳纳米管膜复合材料的电极连接到外接电路，通过多种加载模式改变复合材料的形状，记录电阻仪的变化，计算出应变的实时变化。
所述步骤(1)中无规碳纳米管薄膜由几十至几百层厚度不低于0.1μm的碳纳米管薄层构成，碳纳米管在薄膜面内二维分布，无规取向，不沿厚度分布。
所述步骤(1)中无规碳纳米管薄膜的成型过程中，碳纳米管与碳纳米管薄膜同时形成；同时该碳纳米管膜具有良好的牵伸性，可通过机械牵伸改变碳纳米管的取向。
所述步骤(1)中采用多滚轴***来改变碳纳米管膜的牵伸率制备碳纳米管取向膜，各个滚轴的转动速度从进料端至出料端速率依次递增，滚轴速度1mm/min-30mm/min。
所述步骤(2)中，将切割成片状碳纳米管取向膜加工成所需要的连续U型齿状，制成碳纳米管膜应变传感器，加工后齿状碳纳米管膜窄带宽度0.2-1mm，碳纳米管传感段间隙0.5-1mm，碳纳米管膜齿边长度与宽度比值大于5。从而延长了碳纳米管膜应变传感的有效长度，最大程度发挥了碳纳米管自身的压阻效应，同时克服了监测某方向应变时垂直方向的泊松效应造成的影响。
所述步骤(3)中采用热固性或热塑性树脂浸渍加工后的碳纳米管膜。对于热固性树脂，利用热固性树脂的纤维预浸料，按照模具-预浸料-带孔四氟布-碳纳米管膜-带孔四氟布-预浸料-带孔四氟布-碳纳米管膜-带孔四氟布-预浸料-模具的顺序在热压机中进行热压，可一次制备多层预浸的碳纳米管膜。其中所用的预浸料树脂质量分数大于38wt％。在热压机中以低于树脂体系固化温度20-30℃的温度，以5-10MPa的压力进行热压至树脂固化度50-70％。对于热塑性树脂，可将其溶于极性溶液，配置成1wt％-5wt％的树脂溶液，浸渍碳纳米管膜，其后将碳纳米管膜铺放与模具上，利用真空袋压保证碳纳米管膜平整，同时促进溶剂挥发。
所述树脂体系是指聚乙烯、聚乙烯醇、环氧树脂、双马树脂、聚芳基乙炔树脂和聚酰亚胺中的任意一种或多种。
所述步骤(4)中将预浸料按照铺叠顺序铺叠成复合材料预成型体，并且在上下两表面分别沿着相互垂直方向铺放碳纳米管膜应变传感器预制体，可分别监测相互垂着的两个方向的复合材料应变。同时对于导电纤维制备的预浸料和碳纳米管膜传感器之间可以加入一层绝缘层，可以为玻璃纤维薄毡或电工布、芳纶纤维薄毡、或者塑料薄膜，厚度0.02-0.1mm。
所述步骤(5)中，在连续U型齿状碳纳米管膜传感器的两个端部连接金属电极，电极可以为铜丝或银线，并用导电银胶连接电极和碳纳米管膜的两个端部，从而减少接触电阻。在线监测应变为：当复合材料发生纵向拉伸的时候，通过上表面监测到电阻值的变化除以碳纳米管膜的应变敏感系数即可得到材料的纵向应变，可以通过下表面电阻值的变化除以碳纳米管膜的应变敏感系数即可得到材料的横向应变，上表面电阻值的改变除以下表面电阻值的改变即是复合材料的泊松比。
本发明进一步采用如下具体的技术方案：
第一步，制备无规取向的碳纳米管膜，该薄膜可以采用化学气象沉积等方法进行制备；该膜由几时至几百层厚度不高于0.1μm的碳纳米管薄膜构成，碳纳米管在薄膜内呈现二维无规分布，不沿厚度分布。该碳纳米管膜中的碳纳米管长度达到厘米级，相互缠结且具有良好的牵伸性，可通过机械牵伸改变碳纳米管的取向。
第二步，将3-5cm宽的碳纳米管条带在三级差速多滚轴***上进行牵伸取向，制备碳纳米管取向膜。第一级滚轴的转速为5mm/s，通过调控滚轴之间的转速差从5mm/s到30mm/s，牵伸率能达到5％-30％。
第三步，将碳纳米管膜根据需求切割成不同大小的片状材料，宽度为1-20mm，长度为5-30mm。采用激光切割方法加工成其工作所需要的U型齿状，齿状碳纳米管膜齿边宽度0.2-1mm，齿边间距0.5-1mm，碳纳米管膜齿边长度与宽度比值大于5，最优比值大于10，从而加工得到碳纳米管膜应变传感器。
第四步，碳纳米管膜的预浸，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，所用的树脂体系可以为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂等。对于热固性树脂，利用热固性树脂的纤维预浸料浸润碳纳米管膜，其中所用的预浸料树脂质量分数大于38wt％。按照模具-预浸料-带孔四氟布-碳纳米管膜-带孔四氟布-预浸料-带孔四氟布-碳纳米管膜-带孔四氟布-预浸料-模具的顺序在热压机中进行热压，一次制备多层预浸的碳纳米管膜。在热压机中以低于树脂体系固化温度20-30℃的温度，以5-10MPa的压力进行热压至树脂固化度50-70％。对于热塑性树脂，可将其溶于极性溶液，配置成1wt％-5wt％的树脂溶液，浸渍碳纳米管膜，溶剂挥发后获得碳纳米管膜传感器。
第五步，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，碳纳米管传感器U型齿边长度方向与所监测应变方向一致，将复合材料加压固化，形成可进行应变监测的碳纳米管膜复合材料。对于导电纤维制备的预浸料和碳纳米管膜传感器之间可以加入一层绝缘层，可以为玻璃纤维薄毡或电工布、芳纶纤维薄毡、或者塑料薄膜，厚度0.02-0.1mm。
第六步，连接电极材料，将碳纳米管膜应变传感器用导电银胶与导电铜线或银线连接，在100℃下固化1h后，电极的接触电阻小于10mΩ。
第七步，应变在线监测，将复合材料的电极连接到外接电路，以直流低电阻仪为例，可以实时监测接入端电阻的变化。通过多种加载模式给复合材料施加载荷，记录电阻仪的变化，可以通过碳纳米管膜的压阻因子计算出应变的实时变化。
本发明的优点在于：
(1)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，具有响应迅速，应用广泛，敏感度高的优点。
(2)U型齿状结构有效消除整片碳纳米管膜泊松效应的影响，即碳纳米管膜某方向发生应变，垂直方向的应变影响降到最低，从而准确感知材料应变变化。
(3)U型齿状结构使监测段的有效长度增加数倍，用于应变监测，电阻变化信号响应更显著。
(4)本发明制备的碳纳米管膜复合材料应变传感器能通过调节碳纳米管膜本身的牵伸率，来改变传感器的应变敏感系数和应变监测范围，分别可达到14和30％。使之可以根据需求调节，生产使用不同牵伸率的应变传感器。
(5)本发明中使用的碳纳米管膜能够与不同的树脂复合能制备在不同环境下的复合材料应变传感器。如与环氧树脂复合，传感器能在酸性或碱性环境下工作。与聚芳基乙炔复合，传感器能耐受250℃的高温。
(6)本发明不但可以用于监测玻璃纤维、芳纶纤维复合材料，同时引入绝缘层可利用碳纳米管膜电阻变化用于监测碳纤维等导电纤维复合材料的应变。
(6)本发明制备的应变传感器可同时测定复合材料在两个方向的应变，并且计算出材料的泊松比。
附图说明
图1为初始无规取向的碳纳米管薄膜表面形貌；
图2多滚轴***对碳纳米管膜条带的牵伸过程；
图3牵伸取向后的碳纳米管膜微观形貌；
图4 U型齿状碳纳米管膜应变传感器加工示意图；
图5碳纳米管膜预浸铺层结构示意图；
图6碳纳米管与导电纤维铺层设置；
图7不同方向应变监测方法示意图；
图8为实施例中复合材料制件受轴向拉伸时，碳纳米管膜电阻与纵向应变的关系；
图9为实施例中复合材料制件受轴向拉伸时，碳纳米管膜电阻与横向应变的关系。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。此外应理解，在阅读本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样属于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明提供一种基于碳纳米管膜的复合材料各向应变监测方法，所述制备方法包括如下步骤：
第一步，无规碳纳米管薄膜的制备。
该薄膜可以采用气相沉积等方法进行制备；该薄膜由几十至几百层厚度不低于0.1μm的碳纳米管薄层构成，碳纳米管在薄膜面内二维分布，无规取向，不沿厚度分布，参见图1。所述气相沉积法制备碳纳米管薄膜包括以下步骤：
在惰性气体(如氩气、氢气或两者混合物)的保护作用下，将碳源乙醇、噻吩与催化剂二茂铁混合体系注入高温管式炉中。在高温管式炉的另一端采用缠绕装置收集形成的碳纳米管气凝胶，单层气凝胶厚度约为0.1μm，收集气凝胶的缠绕滚筒宽度5cm，直径1m，采用溶液喷洒于碳纳米管气凝胶，溶液挥发后形成碳纳米管薄膜，随着缠绕单层厚度变化，最终碳纳米管薄膜厚度几微米至几十微米，最终沿着缠绕滚筒表面平行于轴向切开，形成碳纳米管膜条带。这种碳纳米管薄膜的生产方法更容易实现连续批量化生产，而且通过调整高温管式炉的直径以及缠绕装置可以控制碳纳米管薄膜的尺寸，因而更能够满足实际的应用。可以通过调节缠绕的时间来控制碳纳米管薄膜单层的厚度，但不低于0.1微米。改变生长条件可以得到单壁碳纳米管、少壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或多种，碳纳米管之间通过范德华力相互缠结形成自支撑碳纳米管薄膜。碳纳米管与碳纳米管薄膜几乎同时形成，因此碳纳米管的优异性能损耗较小。
第二步，将碳纳米管膜在多滚轴***上进行牵伸取向，制备碳纳米管取向膜。
本发明采用多滚轴***来改变碳纳米管膜的牵伸率，各个滚轴的拉伸速率为5mm/min,10mm/min,15mm/min等，通过调节滚筒之间的速率差，能够调控碳管膜的牵伸率，见图2。为了能提高碳纳米管膜的可牵伸性，需要在牵伸过程中喷洒乙醇溶剂，乙醇能消除牵伸过程中碳纳米管膜间形成的缺陷和孔隙，使得牵伸过程能够顺利进行而不至于发生破坏。牵伸过程中，碳纳米管沿牵伸方向择优取向，碳纳米管膜的宽度变窄，牵伸率能达到5％-30％，见图3。
第三步，将碳纳米管膜根据需求切割成5×10mm等不同规格的片状材料，加工成其工作所需要的U型齿状，见图4，加工成碳纳米管膜应变传感器。利用激光切割将碳纳米管膜加工成U型齿状，这样的形状能够充分发挥碳纳米管膜纵向方向上的压阻效应，而消除横向方向上的变形给压阻效应带来的影响。
第四步，碳纳米管膜的预浸，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，同时表面的树脂可以抑制后续复合过程中导电纤维等对其电信号的影响。
对于热固性树脂，采用复合材料成型预吸胶方法制备碳纳米管复合膜，该方法碳纳米管膜吸入树脂量可控，且分布均匀。按照模具-预浸料-带孔四氟布-碳纳米管膜-带孔四氟布-预浸料-带孔四氟布-碳纳米管膜-带孔四氟布-预浸料-模具的顺序在热压机中以低于树脂体系固化温度20℃的温度，以5MPa的压力进行热压，见图5。制1h后，将整个模具随炉冷却，得到碳纳米管膜预制体。
对于热塑性树脂，可将其溶于极性溶液，配置成1wt％-5wt％的树脂溶液，浸渍碳纳米管膜，溶剂挥发后获得碳纳米管膜传感器。
所述树脂体系是指聚乙烯、聚乙烯醇、环氧树脂、双马树脂、聚芳基乙炔树脂和聚酰亚胺中的任意一种。
第五步，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，将复合材料加压固化，形成可进行应变监测的碳纳米管膜复合材料，见图6。
将预浸料按照铺叠顺序铺叠成复合材料预成型体，并且在上下两表面分别沿着和垂直于复合材料轴向铺上碳纳米管膜应变传感器预制体。这样在试样受到轴向拉伸时，在上表面的碳纳米管膜能够监测试样的纵向应变，在下表面的碳纳米管膜能够监测式样的横向应变。
对于导电纤维制备的预浸料和碳纳米管膜传感器之间可以加入一层绝缘层，可以为玻璃纤维薄毡或电工布、芳纶纤维薄毡、或者塑料薄膜，厚度0.02-0.1mm。
第六步，连接电极材料，将碳纳米管膜应变传感器用导电银胶与导电铜线连接，在100℃下固化1h后，电极的接触电阻小于10mΩ。
第七步，应变在线监测，将复合材料的电极连接到外接电路，以直流低电阻仪为例，可以实时监测接入端电阻的变化。通过多种加载模式对复合材料进行加载，记录电阻仪的变化，结合碳纳米管膜的压阻因子，可以计算出应变的实时变化。
当复合材料发生纵向拉伸的时候，通过上表面监测到电阻值的变化除以碳纳米管膜的应变敏感系数即可得到材料的纵向应变。同理，可以通过下表面电阻值的变化得到材料的横向应变。上表面电阻值的改变除以下表面电阻值的改变即是复合材料的泊松比。
实施例1：
应用本发明提供的制备方法，通过将无取向的碳纳米管膜/环氧复合膜与玻璃纤维复合材料复合，制备能进行轴向应变监测的玻璃纤维复合材料，具体步骤如下：
第一步，碳纳米管薄膜的制备；
在惰性气体的保护作用下，将乙醇、二茂铁和噻吩的混合液以0.15ml/min的速度注入到1300℃的高温管式炉中。惰性气体为氩气与氢气(体积比为1:1)的混合物，其流量为4000sccm。在高温管式炉的另一端形成连续的碳纳米管气凝胶，通过缠绕装置收集碳纳米管气凝胶，滚筒宽度3cm，直径0.5m，碳纳米管气凝胶单层厚度约0.1μm，同时用乙醇与水的混合液喷洒碳纳米管气凝胶得到碳纳米管薄膜。收集得到宽3cm和厚15微米的碳纳米管薄膜。
第二步，碳纳米管复合预制体的制备；
利用激光切割法把上述得到的碳纳米管薄膜切割成U型齿状，其中齿边长5mm，宽0.2mm，齿边间距为1mm，通过切割，形成长5mm，宽5.8mm，厚度为15微米的传感器，该传感器件由5段长度为5mm的碳管条带连续构成。选用不饱和树脂/玻璃纤维预浸料，采用模具/隔离膜/环氧树脂预浸料/多孔四氟布/碳纳米管膜/多孔四氟布/环氧树脂预浸料/隔离膜/模具的方式铺叠，在60℃、5MPa压力下进行热压，树脂充分流动浸渍碳纳米管膜，1h后制得预固化的碳纳米管膜预制体。
第三步，碳纳米管膜/玻璃纤维/环氧复合材料的制备；
将预浸料纤维沿着0°方向铺成单向复合材料层板，且在层板的一个表面沿着纤维方向铺上碳纳米管膜应变传感器预制体，其齿边长度方向与纤维方向一致。将铺好的预浸料在0.5MPa，120℃下固化2h，随炉冷却后得到碳纳米管膜/玻璃纤维/环氧复合材料。这样在试样受到轴向拉伸时，贴附在表面上的碳纳米管膜能够监测试样的纵向应变。
第四步，碳纳米管膜/玻璃纤维/环氧复合材料的轴向应变监测
连接电极材料，将碳纳米管膜应变传感器端部用导电银胶与导电铜线连接，在100℃下固化1h后，电极的接触电阻小于10mΩ。将复合材料的电极连接到外接的直流低电阻仪，实时监测接入端电阻的变化。通过在玻璃纤维复合材料上施加轴向的应变，通过记录电阻仪上电阻值的变化，可以计算出应变的实时变化。图8表明碳纳米管膜受拉时，电阻和应变的关系，应变敏感因子约为5.0。
实施例2：
应用本发明提供的制备方法，通过滚轴进行牵伸取向，制备牵伸率为30％的碳纳米管膜，并且进一步与碳纤维环氧预浸料复合，制备能进行横向应变监测的碳纤维环氧复合材料。具体步骤如下：
第一步，碳纳米管膜的制备；
在惰性气体的保护作用下，将乙醇、二茂铁和噻吩的混合液以0.15ml/min的速度注入到1300℃的高温管式炉中。惰性气体为氩气与氢气(体积比为1:1)的混合物，其流量为4000sccm。在高温管式炉的另一端形成连续的碳纳米管气凝胶，通过缠绕装置收集碳纳米管气凝胶，缠绕装置宽度5cm，直径0.5m。收集后用乙醇喷洒碳纳米管气凝胶得到碳纳米管膜，得到宽5cm和厚15微米的碳纳米管薄膜。沿着收集装置表面平行于轴线方向切割，形成5cm宽约3m长的碳纳米管条带。
第二步，碳纳米管复合预制体的制备；
将制得的碳纳米管膜条带经过差速的三级滚轴***进行牵伸，滚轴的转速线速度分别为5mm/min，11mm/min，15mm/min,同时在牵伸的过程中喷洒乙醇便于碳纳米管膜的牵伸。得到牵伸率为30％的碳纳米管膜，牵伸后碳管膜厚度变为25微米。
利用激光切割法把上述得到的碳纳米管薄膜切割成U形齿状，其中齿边长10mm，宽1mm，齿边间距为1mm，形成长10mm，宽5mm，厚度为25微米的传感器，该器件由3段长度为10mm的碳管条带连接构成。
选用E51环氧树脂/碳纤维预浸料，采用模具/隔离膜/环氧树脂预浸料/多孔四氟布/碳纳米管膜/多孔四氟布/环氧树脂预浸料/碳纳米管膜/多孔四氟布/环氧树脂预浸料/隔离膜/模具的铺叠方式进行在70℃，10MPa下进行热压，一次制备两片碳纳米管膜传感器，2.5h后树脂充分流动浸渍碳纳米管膜，制得树脂碳纳米管膜预制体。
第三步，取向碳纳米管膜/碳纤维/环氧树脂复合材料的制备；
将预浸料正交铺层制备复合材料层板，在铺层的一个表面沿着90°方向铺放碳纳米管膜应变传感器，其中齿边长度方向与90°方向一致，碳纳米管膜传感器与纤维铺层间铺放0.05mm厚玻璃纤维毡。将铺好的预浸料在0.3MPa，150℃下固化3h，随炉冷却后得到碳纳米管膜/环氧树脂碳纤维复合材料。这样在试样受到0°拉伸时，贴附在表面上的碳纳米管膜能够监测试样的横向(90°)应变。
第四步，碳纳米管膜/环氧树脂碳纤维复合材料的横向向应变监测
将碳纳米管膜应变传感器用导电银胶与导电银线连接，在100℃下固化1h后。将复合材料的电极连接到外接的直流低电阻仪，可以实时监测接入端电阻的变化。在碳纤维复合材料0°施加拉伸载荷，记录电阻仪上电阻值的变化，可以计算出复合材料横向应变的实时变化。图9表明，碳纳米管膜在90°方向受压时，电阻变化与横向应变的关系，应变敏感因子为2.6。
实施例3：
应用本发明提供的制备方法，通过滚轴进行牵伸取向，制备牵伸率为20％的碳纳米管膜，并且进一步与碳纤维/聚芳炔预浸料复合，制备能同时进行纵向和横向应变监测的碳纤维/聚芳炔复合材料。具体步骤如下：
第一步，碳纳米管膜的制备；
在惰性气体的保护作用下，将乙醇、二茂铁和噻吩的混合液以0.15ml/min的速度注入到1300℃的高温管式炉中。惰性气体为氩气与氢气(体积比为1:1)的混合物，其流量为4000sccm。在高温管式炉的另一端形成连续的碳纳米管气凝胶，通过缠绕装置收集碳纳米管气凝胶，缠绕装置宽度3cm，直径0.5m。收集后用乙醇喷洒碳纳米管气凝胶得到碳纳米管膜，得到宽3cm和厚10微米的碳纳米管薄膜。沿着收集装置表面平行于轴线方向切割，形成3cm宽约3m长的碳纳米管条带。
第二步，碳纳米管复合预制体的制备；
将制得的碳纳米管膜条带经过差速的三级滚轴***进行牵伸，滚轴的转速分别为5mm/min，9mm/min，12mm/min,同时在牵伸的过程中喷洒乙醇便于碳纳米管膜的牵伸，得到牵伸率为20％的碳纳米管膜。
利用激光切割法把上述得到的碳纳米管薄膜切割成U型齿状，其中齿边长长20mm，宽1mm，齿边间距为0.5mm，形成一个长20mm、宽8.5mm的传感器，该器件由6段长度为20mm的碳管条带连接构成。
选用聚芳炔/碳纤维预浸料，采用模具/隔离膜/聚芳炔预浸料/多孔四氟布/碳纳米管膜/多孔四氟布/聚芳炔预浸料/隔离膜/模具的铺叠方式进行在60℃，7MPa下进行热压，0.5h后，树脂充分浸渍碳纳米管膜，制得碳纳米管膜预制体。
第三步，取向碳纳米管膜/碳纤维/聚芳炔复合材料的制备；
将预浸料准各向铺层方式铺叠制备复合材料层板，并且分别在预成型体的两个表面沿着0°和90°方向铺放碳纳米管膜应变传感器预制体，其中传感器齿边长度方向与监测方向平行，碳纳米管膜传感器与纤维铺层间铺放0.05mm厚芳纶薄毡。将铺好的预浸料在0.4MPa，110℃/3h+120℃/3h+140℃/1h+150℃/1h固化，随炉冷却后得到碳纳米管膜/碳纤维/聚芳炔复合材料。这样在试样受到拉伸或压缩时，贴附在表面上的碳纳米管膜能够同时监测试样的纵向应变和横向应变。
第四步，碳纳米管膜/环氧树脂碳纤维复合材料的纵向和横向向应变监测
将碳纳米管膜应变传感器用导电银胶与导电铜线连接，在100℃下固化1h后。将复合材料的电极连接到外接的直流低电阻仪，可以实时监测接入端电阻的变化。在碳纤维复合材料上施加拉伸载荷，通过记录电阻仪上电阻值的变化，可以计算出复合材料平行与垂直拉伸方向的应变变化，其中平行拉伸方向压阻因子可达14，垂直拉伸方向可达5.5。
实施例4：
应用本发明提供的制备方法，通过滚轴进行牵伸取向，制备牵伸率为20％的碳纳米管膜，并且进一步制备聚乙烯醇复合膜，可用于监测热塑性复合材料不同方向的应变变化，具体步骤如下：
第一步，碳纳米管膜的制备；
在惰性气体的保护作用下，将乙醇、二茂铁和噻吩的混合液以0.15ml/min的速度注入到1300℃的高温管式炉中。惰性气体为氩气与氢气(体积比为1:1)的混合物，其流量为4000sccm。在高温管式炉的另一端形成连续的碳纳米管气凝胶，通过缠绕装置收集碳纳米管气凝胶，缠绕装置宽度3cm，直径0.5m。收集后用乙醇喷洒碳纳米管气凝胶得到碳纳米管膜，得到宽3cm和厚10微米的碳纳米管薄膜。沿着收集装置表面平行于轴线方向切割，形成3cm宽约3m长的碳纳米管条带。
第二步，碳纳米管复合预制体的制备；
将制得的碳纳米管膜条带经过差速的三级滚轴***进行牵伸，滚轴的转速分别为5mm/min，9mm/min，12mm/min,同时在牵伸的过程中喷洒乙醇便于碳纳米管膜的牵伸，得到牵伸率为20％的碳纳米管膜。
利用激光切割法把上述得到的碳纳米管薄膜切割成U型齿状，其中齿边长长20mm，宽1mm，齿边间距为0.5mm，形成一个长20mm、宽4mm的传感器，该器件由3段长度为20mm的碳管条带连接构成。
制备5wt％的聚乙烯醇水溶液，将切割的碳纳米管膜置于其中30min，取出后放置在平板模具上，利用真空袋压保证碳纳米管膜平整，放置于烘箱中70℃，3h促进溶剂挥发。
第三步，取向碳纳米管膜/玻璃纤维/聚丙烯复合材料的制备；
将玻璃纤维聚丙烯预浸料单向铺层，加热到200℃，5MPa压力制备复合材料，采用胶粘剂将步骤二制备的碳纳米管膜/聚乙烯醇传感器黏贴于复合材料上下表面，这样在试样受到拉伸或压缩时，贴附在表面上的碳纳米管膜能够同时监测试样的纵向应变和横向应变。
第四步，碳纳米管膜/聚乙烯醇复合膜纵向和横向向应变监测
将碳纳米管膜应变传感器用导电银胶与导电铜线连接，在100℃下固化1h后。将复合材料的电极连接到外接的直流低电阻仪，可以实时监测接入端电阻的变化。在玻璃纤维复合材料上施加拉伸载荷，通过记录电阻仪上电阻值的变化，可以计算出复合材料平行与垂直拉伸方向的应变变化，其中平行拉伸方向压阻因子可达4.6，垂直拉伸方向可达2.7。
Claims (10)
1.一种碳纳米管膜/复合材料一体化成型应变监测方法，包括如下步骤：
(1)制备无规碳纳米管薄膜，并制成碳纳米管取向膜；
(2)将上述碳纳米管取向膜切割成片状材料，加工成U型齿状碳纳米管膜应变传感器；
(3)碳纳米管膜的预浸，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；
(4)复合材料的铺层，将上述碳纳米管膜预制体铺于复合材料预浸料的上下表面得到复合材料，将所述复合材料加压固化，形成可进行应变监测的碳纳米管膜复合材料；
(5)连接电极材料，在线监测应变，将可进行应变监测的碳纳米管膜复合材料的电极连接到外接电路，通过多种加载模式改变复合材料的形状，记录电阻仪的变化，计算出应变的实时变化；
其中所述步骤(4)中将预浸料按照铺叠顺序铺叠成复合材料预成型体，并且在上下两表面分别沿着相互垂直方向铺放碳纳米管膜应变传感器预制体，分别监测相互垂着的两个方向的复合材料应变。
2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征是所述步骤(1)中无规碳纳米管薄膜由几十至几百层厚度不低于0.1μm的碳纳米管薄层构成，碳纳米管在薄膜面内二维分布，无规取向，不沿厚度分布。
3.根据权利要求1所述的监测方法，其特征是所述步骤(1)中无规碳纳米管薄膜的成型过程中，碳纳米管与碳纳米管薄膜同时形成；同时该碳纳米管膜具有良好的牵伸性，可通过机械牵伸改变碳纳米管的取向。
4.根据权利要求1所述的监测方法，其特征是所述步骤(1)中采用多滚轴***来改变碳纳米管膜的牵伸率制备碳纳米管取向膜，各个滚轴的转动速度从进料端至出料端速率依次递增，各个滚轴的拉伸速率为5mm/min-25mm/min。
5.根据权利要求1所述的监测方法，其特征是所述步骤(2)中，将切割成片状碳纳米管取向膜加工成所需要的U型齿状，制成碳纳米管膜应变传感器。
6.根据权利要求1所述的监测方法，其特征是所述步骤(3)中树脂采用热固性或热塑性树脂，按照模具-预浸料-带孔四氟布-碳纳米管膜-带孔四氟布-预浸料-带孔四氟布-碳纳米管膜-带孔四氟布-预浸料-模具的顺序在热压机中进行热压，一次制备多层预浸的碳纳米管膜；对于热塑性树脂，将其溶于极性溶液，配置成1wt％-5wt％的树脂溶液，浸渍碳纳米管膜，其后将碳纳米管膜铺放与模具上，利用真空袋压保证碳纳米管膜平整，同时促进溶剂挥发。
7.根据权利要求6所述的监测方法，其中所用的预浸料树脂质量分数大于38wt％，在热压机中以低于树脂体系固化温度20-30℃的温度，以5-10MPa的压力进行热压。
8.根据权利要求6所述的监测方法，其特征是所述树脂体系是指聚乙烯、聚乙烯醇、环氧树脂、双马树脂、聚芳基乙炔树脂和聚酰亚胺中的任意一种或多种。
9.根据权利要求1所述的监测方法，其特征是对于导电纤维制备的预浸料和碳纳米管膜传感器之间加入一层绝缘层，所述绝缘层为玻璃纤维薄毡、电工布、芳纶纤维薄毡、或者塑料薄膜，厚度0.02-0.1mm。
10.根据权利要求1所述的监测方法，其特征是所述步骤(5)中，在线监测应变为：当复合材料发生纵向拉伸的时候，通过上表面监测到电阻值的变化除以碳纳米管膜的应变敏感系数即可得到材料的纵向应变，通过下表面电阻值的变化除以碳纳米管膜的应变敏感系数即可得到材料的横向应变，上表面电阻值的改变除以下表面电阻值的改变即是复合材料的泊松比。
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Citations (6)
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