CN109084674B - 一种在复合材料表面制备石墨烯传感器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在复合材料表面制备石墨烯传感器的方法，首先将氧化石墨烯分散液雾化沉积在复合材料表面，形成氧化石墨烯薄膜；再按照预定传感器形状对氧化石墨烯薄膜进行激光辐照直写，形成石墨烯传感器元件，最后印刷导电银浆电极，得到石墨烯传感器。本发明提供的制备方法可直接在具有任意表面的复合材料制备石墨烯传感器，制备方法简单，成本低，且石墨烯传感器元件的形状、数量和位置可调，还可通过激光照射参数控制石墨烯传感器的GF，实现了利用石墨烯传感器对复合材料进行原位结构健康监测的目的，且本发明中氧化石墨烯分散液的喷涂、激光辐照直写和银浆电极的印刷等加工要素都由三轴平台程控完成，可以实现石墨烯传感器的自动化生产。

Description

一种在复合材料表面制备石墨烯传感器的方法

技术领域

本发明涉及传感器的技术领域，特别涉及一种在复合材料表面制备石墨烯传感器的方法。

背景技术

复合材料是多种材料共混、改性的多相体系，具有质轻、强度大，耐腐蚀的特性，在航空航天领域有广泛应用，随着复合材料的设计和制造技术的进步，复合材料已经可以逐步替代某些关键结构部位的构件。复合材料在长期服役下会发生损伤，且损伤往往是内部微观结构受损，而微观结构的受损对复合材料的可控性和安全性有长期的影响。对复合材料进行实时在线监测可以预防结构部件的突然失效，提高复合材料结构的可靠性。

新型结构健康检测技术是指使用各种传感器埋入或粘贴到结构表面，通过采集传感器的应变参数来识别损伤是否发生，以及评估损伤程度等，可以避免复合材料的突发性故障。碳纳米材料传感器与传统的金属应变计、硅纳米线、单晶薄膜和其他基于光学，压电，涡流和磁致伸缩传感器的纳米材料相比，具有机械坚固性，结构非侵入性，界面适形性和高压阻性的特点，显示出极大的优势，成为构建智能复合材料以实现其健康状态诊断的关键组成部分。

基于石墨烯技术的传感器有多种优点，包括在水性胶体中易分散性，以及基于独特接触破坏机理的高压敏性。然而，还原氧化石墨烯/石墨(GO)总是选择热解剥离，外延生长和化学气相沉积(CVD)等方法实现石墨烯传感器的制造，其制备步骤多、规模大且成本高，用于聚合物复合材料原位结构健康监测(SHM)的石墨烯传感器的研究仍然缺失。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种步骤简单、容易操作、成本低的在复合材料表面制备石墨烯传感器的方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种在复合材料表面制备石墨烯传感器的方法，包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯分散液雾化沉积在复合材料表面，形成氧化石墨烯薄膜；

(2)对所述氧化石墨烯薄膜按照预定传感元件图案进行激光照射还原，在氧化石墨烯薄膜上形成石墨烯传感器元件，当元件个数≥2时，形成石墨烯传感器元件阵列；当元件个数为1时，为单个石墨烯传感器元件；

(3)为石墨烯传感器元件阵列时，在所述阵列的每列和每行之间印刷导电银浆电极条带，使导电银浆电极分别与石墨烯传感器元件两端相接，所述导电银浆电极的交叉点用绝缘材料隔绝；

或，为单个石墨烯传感器元件时，在氧化石墨烯薄膜表面印刷导电银浆电极条带，使导电银浆电极分别与石墨烯传感器元件两端相接；

所述导电银浆电极用于连接石墨烯传感器元件和外接导线。

优选的，所述氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的浓度为50～500mg/100mL。

优选的，所述氧化石墨烯薄膜的厚度为(0,200]μm。

优选的，所述步骤(1)具体为：将复合材料装在X-Y-Z三轴平台上，通过喷笔将氧化石墨烯分散液喷涂在复合材料表面；所述喷涂过程中复合材料的温度为80～120℃。

优选的，所述激光照射还原的波长为785nm，功率为0.01～1W。

优选的，所述激光照射还原的扫描次数为1～60次，单次扫描速率独立地为1～100mm/s。

优选的，所述石墨烯传感器元件的排列方式为(1～25)×(1～25)；

当所述石墨烯传感器元件大于1个时，相邻石墨烯传感器元件的间距为10～100mm。

优选的，所述复合材料为绝缘复合材料或表面带有绝缘层的导电复合材料，所述复合材料的厚度为(0,5]mm。

优选的，所述复合材料为平面复合材料或曲面复合材料。

优选的，所述石墨烯传感器的GF通过激光照射还原的扫描次数调控；所述石墨烯传感器的GF可控范围为0.1～500。

本发明提供了一种在复合材料表面制备石墨烯传感器的方法，首先将氧化石墨烯分散液雾化沉积在复合材料表面，形成氧化石墨烯薄膜；再按照预定的传感器图案对氧化石墨烯薄膜进行激光照射还原，在氧化石墨烯薄膜上形成石墨烯传感器元件，最后印刷导电银浆电极，使导电银浆电极与石墨烯传感器元件边缘相接，所述导电银浆电极的交叉点用绝缘材料隔绝，得到石墨烯传感器，当传感器元件个数≥2时，得到石墨烯阵列传感器。本发明提供的制备方法可直接在具有任意表面的复合材料上制备石墨烯传感器，制备方法简单，步骤少，成本低，且石墨烯传感器元件的形状、数量和位置可调，还可通过激光照射的参数控制石墨烯传感器的GF，实现了利用石墨烯传感器对复合材料进行原位结构健康监测的目的；并且本发明中使用三轴平台进行氧化石墨烯分散液的喷涂、和激光辐照直写和银浆电极的印刷等加工要素都由三轴平台程控完成，可以实现石墨烯传感器的自动化生产。实施例结果表明，本发明提供的制备方法可以制备蛇形、螺旋形等具有多种形状、不同元件数量的石墨烯传感器，且石墨烯传感器能够实时捕捉到复合材料的应变，所得石墨烯传感器的GF在0.1～500的范围内可调，适用于平面或曲面、具有不同面积的多种复合材料的健康状况监测。

附图说明

图1为本发明实施例1中不同激光照射扫描次数的石墨烯传感器元件的SEM图；

图2为本发明实施例1中不同激光照射扫描次数的石墨烯传感器元件的EDX图；

图3为本发明实施例1中不同激光照射扫描次数的石墨烯传感器元件的拉曼图谱；

图4为本发明实施例1中不同激光照射扫描次数的石墨烯传感器元件的拉曼峰值对比图；

图5为本发明实施例2激光器5倍聚焦和50倍聚焦下石墨烯传感器元件的方块电阻数据图；

图6为本发明实施例3中不同拉伸形变下石墨烯传感器的电阻相对变化图；

图7为本发明实施例3不同拉伸形变下、不同激光照射扫描次数的石墨烯传感器的电阻相对变化图；

图8为本发明实施例3中激光照射次数和石墨烯传感器GF的关系图；

图9为本发明石墨烯传感器调节GF的原理示意图；

图10为本发明实施例3的石墨烯传感器的耐久性测试图；

图11为本发明实施例4中蛇形石墨烯传感器在不同弯曲程度下的阻值相对变化图；

图12为本发明实施例5的石墨烯阵列传感器制备流程示意图；

图13为本发明实施例5中复合材料在不同方向发生弯曲变形时石墨烯阵列传感器的阻值相对变化图；

图14为本发明实施例5中三点弯曲实验的ANSYS模拟仿真结果图；

图15为本发明实施例5中三点弯曲实验所得石墨烯阵列传感器的实际检测结果图。

具体实施方式

本发明提供了一种在复合材料表面制备石墨烯传感器的方法，包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯分散液雾化沉积在复合材料表面，形成氧化石墨烯薄膜；

(2)对所述氧化石墨烯薄膜按照预定传感元件图案进行激光照射还原，在氧化石墨烯薄膜上形成石墨烯传感器元件，当元件个数≥2时，形成石墨烯传感器元件阵列；当元件个数为1时，为单个石墨烯传感器元件；

(3)为石墨烯传感器元件阵列时，在所述阵列的每列和每行之间印刷导电银浆电极条带，使导电银浆电极分别与石墨烯传感器元件两端相接，所述导电银浆电极的交叉点用绝缘材料隔绝；

或，为单个石墨烯传感器元件时，在氧化石墨烯薄膜表面印刷导电银浆电极条带，使导电银浆电极分别与石墨烯传感器元件两端相接；

所述导电银浆电极用于连接石墨烯传感器元件和外接导线。

本发明将氧化石墨烯分散液涂覆在复合材料表面，形成氧化石墨烯薄膜。在本发明中，所述复合材料优选为绝缘复合材料或表面带有绝缘层的导电复合材料，所述复合材料的厚度优选为(0,5]mm，更优选为0.5～2mm；所述复合材料优选为板状复合材料；本发明对所述复合材料的具体种类没有特殊要求，需要进行健康状况实时监测的复合材料都可以作为本发明制备石墨烯传感器的基体，具体的如纤维增强体和树脂复合而成的复合材料，所述纤维增强体优选为玻璃纤维、芳纶纤维；所述树脂优选为热固性树脂，更优选为环氧树脂、聚酯树脂、乙烯基树脂或聚酰亚胺树脂。

在本发明中，所述复合材料优选为平面复合材料或曲面复合材料；本发明对所述曲面复合材料的弯曲程度没有特殊要求，任意弯曲程度的复合材料均可；本发明提供的制备方法适用于具有任意表面的复合材料。

在本发明中，所述氧化石墨烯分散液优选为氧化石墨烯水分散液；所述氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的浓度优选为50～500mg/100mL，更优选为100～400mg/mL，最优选为200～300mg/100mL。

在本发明中，所述氧化石墨烯分散液优选通过以下步骤制备：

将氧化石墨烯和水混合后进行超声处理，得到氧化石墨烯分散液。

在本发明中，所述水优选为去离子水；所述超声处理的功率优选为300～600W，更优选为400～500W，所述超声处理的时间优选为1～3h，更优选为1.5～2.5h，进一步优选为2h。本发明通过超声处理使氧化石墨烯均匀分散在水中。

在本发明中，所述步骤(1)优选具体为：将复合材料装在X-Y-Z三轴平台上，通过喷笔将氧化石墨烯分散液喷涂在复合材料表面；所述喷涂过程中复合材料的温度为80～120℃。本发明对所述X-Y-Z三轴平台的具体结构没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的X-Y-Z三轴平台即可，如市售的X-Y-Z三轴平台；本发明优选将氧化石墨烯分散液装在喷笔中，并将喷笔装配在X-Y-Z三轴平台上，通过喷笔将氧化石墨烯分散液喷涂在复合材料表面。本发明优选通过控制喷笔气压调节氧化石墨烯分散液的喷射量；在本发明的具体实施例中，所述喷笔气压优选为5～20PSI，更优选为10～15PSI；所述氧化石墨烯的喷射量优选为50～200mL，更优选为100～150mL。

本发明优选将复合材料加热后再装配到X-Y-Z三轴平台上，喷涂过程中所述复合材料的温度优选保持在80～120℃，更优选为90～110℃；本发明将复合材料的温度保持在上述范围内，能够保证喷涂在复合材料上的氧化石墨烯分散液中的水分即刻蒸发。

在本发明中，所述氧化石墨烯薄膜的厚度优选为(0,200]μm，更优选为50～150μm，进一步优选为80～120μm。

本发明对所述氧化石墨烯薄膜的面积没有特殊要求，在本发明的具体实施例中，复合材料的总面积越大，监测其健康状况所需的石墨烯传感器阵列越大，本发明优选根据复合材料的面积确定氧化石墨烯薄膜的面积。

在复合材料上形成氧化石墨烯薄膜后，本发明按照预定传感元件图案对所述氧化石墨烯薄膜进行激光照射还原，在氧化石墨烯薄膜上形成石墨烯传感器元件。在本发明中，当元件个数≥2时，形成石墨烯传感器元件阵列；当元件个数为1时，为单个石墨烯传感器元件。在本发明中，所述激光照射还原的波长优选为785nm，功率优选为0.01～1W，更优选为0.1～0.8W，进一步优选为0.3～0.5W；所述激光照射的扫描次数优选为1～60次，更优选为5～50次，进一步优选为10～40次；所述单次扫描的速率独立地优选为1～100mm/s，更优选为50mm/s；所述激光照射的聚焦倍数优选为1～50倍，更优选为5～40倍。

本发明优选使用二极激光管对氧化石墨烯薄膜进行激光辐照直写，激光辐照直写过程由电脑控制，可按照预定传感元件图案进行激光照射扫描，从而根据具体实施例的需求得到不同图案的石墨烯传感器元件，本发明对所述石墨烯传感器元件的具体图案形状没有特殊要求，在本发明的具体实施例中，优选根据需要监测的复合材料基体形变的方向进行设计，具体的如蛇形、螺旋形等。本发明对所述电脑控制的具体方法没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的控制方法，能够在氧化石墨烯薄膜上得到设计图案的石墨烯传感器元件即可；本发明的激光辐照直写过程优选由X-Y-Z三轴平台程控完成。

在本发明中，不同面积的复合材料进行健康状况监测所需的石墨烯传感器元件数量不同，复合板材面积越大，所需石墨烯传感器元件的数量越多，在本发明中，所述石墨烯传感器元件的排列方式优选为(1～25)×(1～25)，更优选为(3～20)×(3～20)，最优选为5×5，当所述石墨烯传感器元件≥2个时，相邻石墨烯传感器元件的间距优选为10～100mm，更优选为20～40mm。在本发明的具体实施例中，优选根据复合材料的面积确定石墨烯传感器元件的数量和间距。

在激光照射条件下，不导电的氧化石墨烯被还原为具备导电性能的石墨烯，石墨烯具有压阻特性，当复合材料表面发生形变时，石墨烯的层状结构会受到挤压，进而相互接触发生电阻阻值的改变，根据电阻的变化程度可以判断复合材料的健康状况。

本发明通过控制激光照射的扫描次数来控制氧化石墨烯的还原程度，从而控制石墨烯传感器的GF(gauge factor，标准因子)，本发明通过控制激光照射的扫描次数，可以实现石墨烯传感器的GF在0.1～500范围内可调，在本发明的具体实施例中，可根据实际需要调节石墨烯传感器的GF，避免传感器过于灵敏将复合材料的常规变形和微小损伤判断为破损，造成错误信号。

在氧化石墨烯薄膜上形成石墨烯传感器元件后，当石墨烯传感器元件形成元件阵列时，本发明在所述阵列的每列和每行之间印刷导电银浆电极条带，使导电银浆电极分别与石墨烯传感器元件两端相接，所述导电银浆电极的交叉点用绝缘材料隔绝，得到石墨烯阵列传感器。在本发明中，所述导电银浆电极用于连接石墨烯传感器元件和外接导线。本发明优选将步骤(2)中表面形成石墨烯传感器元件的复合材料装配在X-Y-Z三轴平台上，将导电银浆装在注射器筒中，并将注射器装配在X-Y-Z三轴平台上，通过注射器印刷银浆电极；所述注射筒的直径优选为0.41mm。

本发明优选通过注射器气压控制银浆电极的宽度，所述银浆电极的宽度优选为0.2～2mm，更优选为0.2～0.5mm；本发明优选通过X-Y-Z三轴平台的平台程序控制银浆电极的印刷位置，本发明在所述阵列的每列和每行之间印刷导电银浆电极条带，使银浆电极形成横竖阵列电极，使银浆电极与石墨烯传感器元件的两端相接，而石墨烯传感器元件位于横竖银浆电极组成的格子中央，如图12所示。本发明使用绝缘材料将导电银浆电极的交叉点隔绝，本发明对所述绝缘材料的种类没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的能够达到绝缘效果的材料均可，具体的优选为聚酰亚胺，本发明优选将聚酰亚胺溶液涂在银浆电极交叉点，聚酰亚胺固化后起到绝缘的作用。

在本发明中，当为单个石墨烯传感器元件时，直接在氧化石墨烯薄膜表面印刷导电银浆电极条带，使导电银浆电极条带分别与石墨烯传感器元件两端相接即可，印刷方式和条件控制与上述方案一致，在此不再赘述。

在应用过程中，石墨烯传感器通过银浆电极与实时测量阻值信号的电表相连，通过实时阻值得到方块电阻数据，从而监测复合材料的健康状况。

本发明中氧化石墨烯分散液的喷涂、激光辐照直写和银浆电极的印刷等加工要素都由X-Y-Z三轴平台程控完成，可以实现石墨烯传感器的自动化生产。

下面结合实施例对本发明提供的在复合材料表面制备石墨烯传感器的方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

(1)使用原材料为玻璃纤维/环氧树脂预浸料，通过真空袋工艺在140℃制备成平面复合材料板，厚度为5mm，面积为200mm×200mm。

(2)将300mg氧化石墨烯分散在100ml去离子水溶液中，使用超声波处理器在480W的功率下分散1小时后得到氧化石墨烯均匀分散液。使用电机控制的X-Y-Z三轴平台，将复合材料板一直保持100℃加热并装配到平台上，保证氧化石墨烯分散液喷涂在复合材料上时溶液中的水分可以即刻蒸发。将氧化石墨烯溶液装在喷笔里并将喷笔装配在平台上，调节喷笔的气压为5PSI，在复合材料板上制备出氧化石墨烯薄膜，厚度为5μm。

(3)使用波长为785nm、功率为30mW的二极管激光器进行氧化石墨烯涂覆薄膜的还原，控制不同的激光照射的扫描次数，单次扫描的速率为10mm/s；形成石墨烯传感器元件，元件个数为1个。

(4)再次使用电机控制的X-Y-Z三轴平台，将导电银浆装在0.41mm直径的注射器筒内并装配在平台上印刷银浆。

对不同激光照射扫描次数的石墨烯传感器的还原程度进行表征：

对不同激光照射扫描次数的石墨烯传感器元件进行SEM检测，所得SEM图如图1所示，其中图1(a)为激光照射次数为1～40时氧化石墨烯薄膜测SEM图，图1(b)为比例为10μm时隆起区域的SEM图，图1(c)为比例为500nm时隆起区域的SEM图；根据图1可以看出，通过激光照射处理，氧化石墨烯薄膜呈现出两种不同的微观结构，平坦区域和隆起区域，并且随着激光照射次数的增加，从扫描1次至扫描40次，隆起区域的面积呈现了连续的增加。通过量化整个激光照射区域上的隆起面积的百分比，结果分别为3.948％(1次)，7.856％(4次)，5.590％(6次)，14.410％(10次)，33.706％(15次)，49.158％(20次)和55.947％(40次)，面积总共增加了14倍。这两种结构的主要成因与局部区域氧化石墨烯的不均匀涂覆和激光照射的能量分布有关，温度的差异导致氧化石墨烯的还原程度的不同，在较高的温度下，氧化石墨烯中的氧快速气化引起的松散堆叠结构造成了隆起区域；根据TEM图可以看出，还原的石墨烯的层间距约为0.4nm。

为了证实上述机理，对不同激光照射扫描次数的石墨烯传感器进行能量色散X射线光谱(EDX)测试，对平坦区域和隆起区域的碳和氧的原子数比进行总结，所得测试结果如图2所示，根据图2可以看出，平坦区域：随着激光照射次数的增加，碳原子比增加，氧原子比减少；隆起区域：随着激光照射次数的增加，碳原子比增加，氧原子比减少。隆起区域的碳原子比一直高于平坦区域；隆起区域的氧原子比一直低于平坦区域。说明隆起区域的氧化石墨烯经过激光多次照射后，还原程度更高。

使用拉曼光谱检测还原氧化石墨烯的还原程度，所得结果如图3～图4所示，其中图3为不同激光照射扫描次数的石墨烯传感器的拉曼图谱，图4为拉曼图谱的峰值比图；根据图3可以看出，氧化石墨烯和不同激光还原氧化石墨烯样品的拉曼光谱都显示了分别位于1350cm^-1和1590cm^-1附近的D和G峰。与氧化石墨烯相比，激光还原氧化石墨烯的D峰减弱，表明随着氧化石墨烯的连续还原，缺陷密度降低。根据图4可以看出，随着激光照射次数增加，2D峰增强，I_G/I_D和I_2G/I_G比值都有增加趋势，说明氧化石墨烯还原程度越来越高。

实施例2

其它步骤和实施例1相同，区别仅在于步骤(3)中的激光照射聚焦倍数分别为5倍聚焦和50倍聚焦，扫描次数分别为50次和20次。

测试激光照射聚焦倍数不同的情况下石墨烯传感器元件的电阻变化情况，所得结果如图5所示，图5为在激光器5倍聚焦和50倍聚焦下石墨烯传感器元件的方块电阻数据；根据图5可以看出，随着激光照射次数的增加，方块电阻越来越小，说明氧化石墨烯还原程度越来越高，导电性越来越好。

实施例3

测试复合材料发生拉伸形变时石墨烯传感器的电阻变化

(1)其它步骤和实施例1相同，区别仅在于步骤(3)中的激光照射扫描次数为6次。

使复合材料发生不同程度的循环拉伸形变(0.2％，0.4％和0.6％)，检测石墨烯传感器的电阻相对变化，所得结果如图6所示，根据图6可以看出，在每个测试周期中，石墨烯传感器的电阻相对变化与拉伸变形有很好的一致性，机械应变越大，电阻变化越大。

(2)其它步骤和实施例1相同，区别仅在于步骤(3)中的激光照射扫描次数分别为4次、6次、8次、10次和40次。

使复合材料的最大应变水平为0.4％，测试不同激光照射扫描次数的石墨烯传感器的电阻相对变化，所得结果如图7所示。根据图7可以看出，石墨烯传感器的压阻GF对激光条件有强烈依赖性，随着照射次数从4增加到40，在最大应变水平(0.4％)下的ΔR/R0值分别从98.7％(4次)，59.6％(6次)，22.1％(8次)，8.7％(10次)至0.8％(40次)。

定义石墨烯传感器的标准因子为GF(Gauge Factor)，通过式Ⅰ计算：

式Ⅰ中，ε_max是在循环拉伸试验中施加的应变的幅度，％；R₀是没有变形的传感器电阻，Ω；R_max是当施加的应变在ε_max时的传感器电阻，Ω。

图8为激光照射次数和GF的关系图；根据图8可以看出，石墨烯传感器的GF随着激光照射时间的增加而减小。具体而言，激光照射扫描次数从1增加到40时，GF相应地从约450下降到约0.6，等于约3个数量级的显著下降，说明本发明提供的制备方法可通过激光照射扫描次数灵活的调控传感器的GF，以使石墨烯传感器能够适用于不同的场合。

图9为石墨烯传感器调节GF的原理示意图；由于隆起区域的存在，使传感器GF可调，在受力变形时，隆起区域和平坦区域的阻值变化量(隆起区域和平坦区域的相对面积比值靠激光照射扫描次数调节)不同导致GF可调。

(3)其它步骤和实施例1相同，区别仅在于步骤(3)中的激光照射扫描次数为4次。

对经过4次激光照射的传感器施加10000次循环张力测试其耐久性，循环频率为0.16Hz，最大应变水平为0.6％，所得结果如图10所示；根据图10可以看出，前20个循环的平均GF＝254.83±12.28与最后20个循环的平均GF＝240.98±9.9几乎相同，说明石墨烯传感器稳定性良好。

(4)其它步骤和实施例1相同，区别仅在于步骤(1)中复合材料板为曲面板，曲率半径为500mm。

按照实施例3(1)、(2)、(3)中的方法对设置在曲面复合材料板上的石墨烯传感器进行测试，测试结果和上述结果相似。

实施例4

本实施例设计一种蛇形传感器，制造在飞机机翼模型的顶部，用于监测弯曲变形，制备步骤如下：

(1)将100mg氧化石墨烯分散在100ml去离子水溶液中，使用超声波处理器在300W的功率下分散1小时后得到氧化石墨烯均匀分散液。使用电机控制的X-Y-Z三轴平台，将飞机机翼模型一直保持120℃加热并装配到平台上，将氧化石墨烯溶液装在喷笔里并将喷笔装配在平台上，调节喷笔的气压为15PSI，在复合材料板上制备出氧化石墨烯薄膜，厚度为3μm。

(2)使用波长为785nm、功率为80mW的二极管激光器进行氧化石墨烯涂覆薄膜的还原，控制激光照射的扫描次数为5次，单次扫描的速率为10mm/s；使用电脑控制石墨烯传感器元件的形状，形成蛇形石墨烯传感器元件，具体形状如图11右上角的插图所示；元件个数为1个。

(3)再次使用电机控制的X-Y-Z三轴平台，将导电银浆装在0.41mm直径的注射器筒内并装配在平台上印刷银浆电极。

对复合部分进行手动弯曲，控制弯曲程度为2°～30°，测试蛇形石墨烯传感器的电阻变化，所得结果如图11所示；根据图11可以看出，当复合部分被手动向下弯曲时，传感器电阻瞬时增加，随后的弯曲释放导致电阻恢复，随着弯曲程度的变大，传感器的电阻变化增大。

实施例5

制备石墨烯阵列传感器，传感器元件的形状为对称螺旋形状，阵列排列方式为5×5，并测试其性能，制备步骤如下：

(1)使用原材料为玻璃纤维/环氧树脂预浸料，通过真空袋工艺在140℃制备成平面复合材料板，厚度为5mm，面积为200mm×200mm。

(2)将500mg氧化石墨烯分散在100ml去离子水溶液中，使用超声波处理器在600W的功率下分散1小时后得到氧化石墨烯均匀分散液。使用电机控制的X-Y-Z三轴平台，将复合材料板一直保持80℃加热并装配到平台上，将氧化石墨烯溶液装在喷笔里并将喷笔装配在平台上，调节喷笔的气压为15PSI，在复合材料板上制备出氧化石墨烯薄膜，厚度为5μm。

(3)使用波长为785nm、功率为1W的二极管激光器进行氧化石墨烯涂覆薄膜的还原，控制激光照射的扫描次数为10次，单次扫描的速率为20mm/s；使用电脑控制石墨烯传感器元件形状为对称螺旋形状，单个传感器大小为30×30mm，相邻传感器间距为50mm，形成5×5的石墨烯传感器元件阵列，如图12(c)所示。

(4)再次使用电机控制的X-Y-Z三轴平台，将导电银浆装在0.41mm直径的注射器筒内并装配在平台上印刷银浆电极，银浆电极与螺旋石墨烯电极边缘相接，形成横竖阵列，如图12(d)所示。

图12为本实施例在复合材料表面制备石墨烯阵列传感器的示意图；其中(a)左到右分别是复合材料制备，氧化石墨烯喷涂，激光照射还原，银浆电极印刷；(b)～(d)为实际效果图，(b)为喷涂氧化石墨烯后的实际效果图，(c)为激光照射还原后形成螺旋形石墨烯传感器元件阵列的实际效果图；(d)为印刷银浆电极后的实际效果图。

利用利用5×5传感器阵列进一步演示复合材料大面积部署和应变映射的能力，每个传感器元件被设计成具有对称螺旋形状，用于检测来自任意方向的应力/应变，而不影响压电GF。通过从不同方向施加相同水平的弯曲载荷来研究传感器元件。

将金属棒以不同方向(即0°，45°，90°和135°)置于复合材料板板下方，如图13所示，通过手动施加相对于变化方向的循环弯曲变形，测试石墨烯传感器的阻值变化，所得结果如图13所示；根据图13可以看出，石墨烯传感器的最大电阻变化落在7.2％～7.8％的相同范围内，说明具有螺旋特征的石墨烯传感器在不同方向上有相对稳定的阻值变化量。

三点弯曲实验：将20×20×0.5cm的复合材料板通过固定中心线同时向下压缩左右边缘，使复合材料板发生弯曲变形，两边缘的最大垂直变形约为60mm。使用ANSYS的有限元分析(FEA)进行模拟仿真，揭示结构顶部表面处的应变分布，结果如图14所示；根据图14可以看出，随着远离中心线的距离增加，机械应变随着从0.012逐渐减小到0而对称分布。

通过开关控制系统扫描和监测石墨烯传感器阵列，当主机结构在FEA中设置的相同条件下变形时，每个传感器元件的电阻变化被一个接一个迅速获得，所得结果如图15所示，根据图15可以看出，传感器阵列可以实时地捕捉到沿其跨度的不均匀应变，且石墨烯阵列传感器的监测结果和ANSYS模拟仿真结果一致，结果一致说明石墨烯阵列传感器的可应用性。

由以上实施例可知，本发明提供的制备方法可直接在具有任意表面的复合材料上进行石墨烯传感器的制备，制备方法简单，步骤少，成本低，且石墨烯传感器元件的形状、数量和位置可调，还可通过激光照射还原控制石墨烯传感器的GF，实现了利用石墨烯传感器对复合材料进行原位结构健康监测的目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种在复合材料表面制备石墨烯传感器的方法，包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯分散液雾化沉积在复合材料表面，形成氧化石墨烯薄膜；

(2)对所述氧化石墨烯薄膜按照预定传感元件图案进行激光照射还原，在氧化石墨烯薄膜上形成石墨烯传感器元件，当元件个数≥2时，形成石墨烯传感器元件阵列；当元件个数为1时，为单个石墨烯传感器元件；

(3)为石墨烯传感器元件阵列时，在所述阵列的每列和每行之间印刷导电银浆电极条带，使导电银浆电极分别与石墨烯传感器元件两端相接，所述导电银浆电极的交叉点用绝缘材料隔绝；或，为单个石墨烯传感器元件时，在氧化石墨烯薄膜表面印刷导电银浆电极条带，使导电银浆电极分别与石墨烯传感器元件两端相接；所述导电银浆电极用于连接石墨烯传感器元件和外接导线；

所述激光的波长为785nm，功率为0.01～1W；

所述激光照射还原的扫描次数为1～60次，单次扫描速率独立地为1～100mm/s；

所述石墨烯传感器的GF通过激光照射还原的扫描次数调控；所述石墨烯传感器的GF可控范围为0.1～500；

所述步骤(1)具体为：将复合材料装在X-Y-Z三轴平台上，通过喷笔将氧化石墨烯分散液喷涂在复合材料表面；所述喷涂过程中复合材料的温度为80～120℃；所述复合材料为平面复合材料或曲面复合材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的浓度为50～500mg/100mL。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化石墨烯薄膜的厚度为(0,200]μm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述石墨烯传感器元件的排列方式为(1～25)×(1～25)；当所述石墨烯传感器元件个数≥2时，相邻石墨烯传感器元件的间距为10～100mm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述复合材料为绝缘复合材料或表面带有绝缘层的导电复合材料；所述复合材料的厚度为(0,5]mm。

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