一种基于碳纳米管三维网络薄膜的应变传感器制备方法
【专利摘要】一种基于碳纳米管三维网络薄膜的应变传感器制备方法，主要解决现有基于聚合物基体内的碳纳米管传感技术会影响复合材料成型及复合材料力学性能的问题。实现步骤：（1）将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；（2）将碳纳米管的单分散水溶液倒入真空吸滤装置的容器在过滤膜上抽滤成膜；（3）将碳纳米薄膜与过滤膜压实，放入烘箱内固化，固化后剥离滤膜后得到三维薄膜；（4）从薄膜上切下长方形结构，将导线固定于薄膜表面，将此传感器埋入复合材料内部特定位置，按复合材料固化工艺成型。具有界面结合性能好，可与复合材料共同成型，适合进行结构内部应变场监测，应变传感精度高和线性可重复性的特点。
【专利说明】一种基于碳纳米管三维网络薄膜的应变传感器制备方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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】
[0003]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。
[0004]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:
[0005]( I)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。
[0006](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0.44 μ m的混纤膜或PTFE膜，控制真空度为40_100kpa。
[0007](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。
[0008](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(0.2_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。
[0009](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:
【权利要求】
1.一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，过滤膜选用孔径为0.22或0.44 μ m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方形结构，利用导电胶将铜导线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:
2.如权利要求1所述的一种基于碳纳米管三维网络薄膜的应变传感器制备方法，是通过以下具体步骤实现的: a、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，表面活性剂选用TX-100，碳纳米管的水溶液浓度控制在0.lwt%，表面活性剂:碳纳米管质量比=5:1，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； b、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0.22PTFE膜，控制真空度为60kpa ； C、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100度固化4小时，固化完成后剥离滤膜后得到碳纳米管三维薄膜； d、从碳纳米管薄膜上切下长方形结构，利用导电胶将铜导线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。
3.如权利要求1所述的一种基于碳纳米管三维网络薄膜的应变传感器制备方法，是通过以下具体步骤实现的: a、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0.01wt%，表面活性剂:碳纳米管质量比=20:1，机械融合法主要包括研钵研磨、磁力搅拌、超声分散、高速离心； b、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，过滤膜选用孔径为0.22或0.47 μ m的混纤膜或PTFE膜，控制真空度为40kpa ； C、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度固化10小时，固化完成后剥离滤膜得到碳纳米管三维薄膜； d、从碳纳米管薄膜上切下长方形结构，利用导电胶将铜导线I固定于碳纳米管薄膜2的表面，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。
4.如权利要求1所述的一种基于碳纳米管三维网络薄膜的应变传感器制备方法，是通过以下具体步骤实现的: a、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2.5wt%，表面活性剂:碳纳米管质量比=5:1，机械融合法主要包括研钵研磨、磁力搅拌、超声分散、高速离心； b、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，过滤膜选用孔径为0.22或0.47 μ m的混纤膜或PTFE膜，控制真空度为IOOkpa ； C、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150度固化I小时，固化完成后剥离滤膜得到碳纳米管三维薄膜； d、从碳纳米管薄膜上切下长方形结构，利用导电胶将铜导线I固定于碳纳米管薄膜2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.如权利要求1或2或3或4所述的一种基于碳纳米管三维网络薄膜的应变传感器制备方法，其特征在于:所述的长方形结构为长IOmm,宽4_。
6.如权利要求1或2 或3或4所述的一种基于碳纳米管三维网络薄膜的应变传感器制备方法，其特征在于:所述的铜导线采用4根，每根直径为0.2mm。
【文档编号】G01B7/16GK103808247SQ201210436811
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年11月6日 优先权日:2012年11月6日
【发明者】卢少微, 贲强, 张海军, 高禹, 聂鹏, 吕伟 申请人:沈阳航空航天大学