CN109294233B - 一种纳米导电纤维/高分子复合材料应变传感器 - Google Patents

一种纳米导电纤维/高分子复合材料应变传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米导电纤维/高分子复合材料、其制备方法和应用，纳米导电纤维/高分子复合材料由以下原料按质量百分比混合组成：纳米导电纤维材料0.5~5%，高分子材料95~99.5%。该制备方法是按前述的质量百分比将纳米导电纤维加入到液体状态下的高分子材料基体中，进行机械搅拌10~30分钟，利用涂布设备，将混合物涂布成0.1~1毫米厚的薄膜材料进行固化。应用纳米导电纤维/高分子复合材料制作的应变传感器，包括纳米导电纤维/高分子复合材料薄膜方片，复合材料薄膜方片上有激光烧蚀折线，激光烧蚀折线端为电极，用导电胶连接电极和导线。

Description

一种纳米导电纤维/高分子复合材料应变传感器
技术领域
本发明属于功能复合材料技术领域，具体涉及一种纳米导电纤维/高分子复合材料、该纳米导电纤维/高分子复合材料的其制备方法、应用该复合材料制作应变传感器的方法和纳米导电纤维/高分子复合材料应变传感器。
背景技术
应变是一个在工程实践中经常用到的物理量，在结构设计、地质勘探和航空航天等领域都需要对应变进行测量并实时检测。应变有诸多测量方法，如非接触式光学测量法和接触式传感器测量法。非接触式光学测量法易操作，测量结果显示直观，但应变云图较粗糙，不够准确，在要求高精度应变测量场合并不适用。
现有接触式传感器测量法为应变电测法，该方法可以较为准确的得到某一个点的应变值，所需的测试装备为箔式电阻应变片和应变测试仪。箔式电阻应变片一般由敏感栅、基体、引出导线和其他辅助部分等组成，当应变片被粘贴于被测点表面时，随着结构变形，贴附点产生的应变就会传递到应变片的敏感栅上，由于敏感栅的压阻效应，产生微弱的电信号并由引出线输出，电阻变化相当微弱，需要使用数字电桥配合应变测试仪来放大信号，转换并反馈成应变信号。
发明内容
针对现有接触式传感器存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种纳米导电纤维/高分子复合材料应变传感器，用该复合材料制作的应变片能够产生强电阻变化，避免使用应变测试仪，克服箔式应变片灵敏度低的缺点。本发明还提供该复合材料的制备方法，并提供一种应用该复合材料制作应变传感器的方法。
为了解决上述技术问题
本发明提供一种纳米导电纤维/高分子复合材料应变传感器，所述的纳米导电纤维/高分子复合材料由以下原料按质量百分比混合组成：纳米导电纤维材料0.5～5％，高分子材料95～99.5％；包括纳米导电纤维/高分子复合材料薄膜方片，复合材料薄膜方片上有激光烧蚀折线，激光烧蚀折线端为电极，用导电胶连接电极和导线。
所述纳米导电纤维选取碳纳米管、纳米碳纤维或纳米银线。
所述高分子材料选取聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯或橡胶。
本发明提供的一种纳米导电纤维/高分子复合材料的制备方法：按上述质量百分比，将纳米导电纤维加入到液体状态下的高分子材料基体中，进行机械搅拌10～30分钟，利用涂布设备，将混合物涂布成0.1～1毫米厚的薄膜材料进行固化。
对使用固化剂的高分子材料，在纳米导电纤维加入到液体状态下的高分子材料基体中进行机械搅拌之后，加入适量固化剂，再次机械搅拌5～10分钟。
本发明还提供一种应用该纳米导电纤维/高分子复合材料制作应变传感器的方法：将上述制备的纳米导电纤维/高分子复合材料薄膜进行剪裁，使用激光雕刻机在功率为0.5～6瓦特、速度为1毫米/秒～100毫米/秒下，对复合材料薄膜进行激光烧蚀，烧蚀后的部分为应变感应体，用导电胶连接电极和导线，即制成纳米导电纤维/高分子复合材料应变传感器。
本发明的技术效果是：
将导电的纳米纤维与高分子集体材料共混，制成纳米纤维/高分子复合材料，控制导电纳米纤维的含量与导电渗透阈值之下，致使导电纳米纤维间存在高分子材料，宏观导电网络并未形成。此时通过激光烧蚀，将高分子材料集体进行烧蚀去除，致使被烧蚀部分的导电纤维裸露出来并相互接触，形成了宏观导电网络。此时导电纳米纤维间接触与分离较容易，所以应变传感体的应变改变后，其电阻会急剧变化，故此种纳米导电纤维/高分子复合材料应变传感器有着极高的灵敏度。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为本发明制作的纳米导电纤维/高分子复合材料应变传感器的正面图；
图2为图1的侧面图；
图3为实施例1制作的应变传感器的应变-电阻变化率关系图；
图4为实施例2制作的应变传感器的应变-电阻变化率关系图；
图5为实施例3制作的应变传感器的应变-电阻变化率关系图。
图中：1、复合材料薄膜方片；2、激光烧蚀折线；3、导电胶；4、导线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
实施例1：材料为多壁碳纳米管、聚二甲基硅氧烷，多壁碳纳米管质量百分比约为1％。
原料：导电纳米纤维采用多壁碳纳米管(060125-01K)，购自日本Nano CarbonTechnologies Co.，柔性的高分子材料采用聚二甲基硅氧烷(DC184)，购自美国DowCorning。
纳米导电纤维/高分子复合材料制备方法为：多壁碳纳米管0.2g与聚二甲基硅氧烷a剂18g于AR-100行星搅拌机中共混搅拌10分钟，取混合物加聚二甲基硅氧烷b剂2g，再次于AR-100行星搅拌机共混5分钟，脱泡30秒，取最终混合物，使用涂布机将其涂布成0.3毫米厚的薄膜，60℃固化3小时，取下纳米导电纤维/高分子复合材料薄膜。将纳米导电纤维/高分子复合材料薄膜进行剪裁，剪裁成20mm*30mm方片。
应用纳米导电纤维/高分子复合材料制作应变传感器的方法：取纳米导电纤维/高分子复合材料薄膜方片，使用激光雕刻机采用不同功率(如：1.5w、3w、6w等)烧蚀复合材料薄膜，功率越大烧蚀的越深；未烧蚀的复合材料为绝缘体，烧蚀后区域为导体，作为应变感应体；用导电胶连接电极和导线并封装，制成纳米导电纤维/高分子复合材料应变传感器。
如图1和图2所示，纳米导电纤维/高分子复合材料应变传感器包括纳米导电纤维/高分子复合材料薄膜方片1，复合材料薄膜方片1上有激光烧蚀折线2，激光烧蚀折线端为电极，用导电胶3连接电极和导线4。
测试方法：
将本实施例所得的应变传感器粘贴于标准力学拉伸试件上，使用万能材料试验机的拉伸模式，使用10mm/min的速度拉伸的速度拉伸试件，同时使用LCR精密数字电桥测量传感器的电阻值，得到电阻-应变关系曲线。
测试结果如图3所示，随应变升高，测试样品传感器的电阻变化率随之升高，该实施例样品在应变为5％时的电阻变化率为25左右，灵敏度(电阻变化率/应变)约为500，该指标十分出色。
实施例2：材料为纳米碳纤维、橡胶，纳米碳纤维质量百分比约为4.7％。
原料：导电纳米纤维采用纳米碳纤维(VGCF)，购自日本昭和电工，柔性的高分子材料为天然橡胶(GM-1070)，购自中国永嘉国明橡塑有限公司。
纳米导电纤维/高分子复合材料制备方法为：纳米碳纤维1g与天然橡胶剂19g于AR-100行星搅拌机中共混搅拌30分钟，取混合物加天然橡胶固化剂1g，再次于AR-100行星搅拌机共混10分钟，脱泡30秒；取最终混合物，使用涂布机将其涂布成0.1毫米厚的薄膜，60℃固化3小时；取下纳米导电纤维/高分子复合材料薄膜。将纳米导电纤维/高分子复合材料薄膜进行剪裁，剪裁成20mm*30mm方片。
应用纳米导电纤维/高分子复合材料制作应变传感器的方法与实施例1相同。
测试方法与实施例1相同。
测试结果如图4所示，随应变升高，测试样品传感器的电阻变化率随之升高，该实施例样品在应变为5％时的电阻变化率为18左右，灵敏度(电阻变化率/应变)约为360，该指标十分出色。
实施例3：原料为纳米银线、聚偏氟乙烯，纳米银线质量百分比约为2％。
原料：导电纳米纤采用纳米银线，购自中国苏州碳丰科技，溶剂选用二甲基甲酰胺(DMF)，柔性的高分子聚合物采用聚偏氟乙烯(PVDF)；DMF购自中国川东化工有限公司，PVDF购自法国Arkema Inc.。
纳米导电纤维/高分子激光烧蚀复合材料制备过程：取纳米银线0.1g与DMF30g混合，超声分散5min，后向混合物中加入5gPVDF，行星搅拌机共混10分钟，脱泡30秒；取最终混合物，倾倒至20cm*10cm水平恒温板子，90℃蒸发DMF 2小时，取下纳米导电纤维/高分子复合材料薄膜，此时得到的。将纳米导电纤维/高分子复合材料薄膜进行剪裁，剪裁成20mm*30mm方片。
应用纳米导电纤维/高分子复合材料制作应变传感器的方法与实施例1相同。
测试方法与实施例1相同。
测试结果如图5所示，随应变升高，测试样品传感器的电阻变化率随之升高，该实施例样品在应变为5％时的电阻变化率为1.3左右，灵敏度(电阻变化率/应变)约为26，该指标与同类材料制成的传统共混复合材料传感器相比比较出色。

Claims (4)

1.一种纳米导电纤维/高分子复合材料应变传感器，其特征是： 所述的纳米导电纤维/高分子复合材料由以下原料按质量百分比混合组成，取质量百分比0 .5~5%的纳米导电纤维材料，质量百分比95~99.5%的高分子材料，将纳米导电纤维加入到液体状态下的高分子材料基体中，进行机械搅拌10~30分钟，利用涂布设备，将混合物涂布成0.1~1毫米厚的薄膜材料进行固化；将纳米导电纤维/高分子复合材料薄膜进行剪裁，使用激光雕刻机在功率为0.5~6瓦特、速度为1毫米/秒~100毫米/秒下，对复合材料薄膜进行激光烧蚀，烧蚀后的部分为应变感应体；纳米导电纤维/高分子复合材料薄膜方片（1）上有激光烧蚀折线（2），激光烧蚀折线端为电极，用导电胶（3）连接电极和导线（4）。
2.根据权利要求1所述的纳米导电纤维/高分子复合材料应变传感器，其特征是：对使用固化剂的高分子材料，在纳米导电纤维加入到液体状态下的高分子材料基体中进行机械搅拌之后，加入适量固化剂，再次机械搅拌5~10分钟。
3.根据权利要求1或2所述的纳米导电纤维/高分子复合材料应变传感器，其特征是：所述的纳米导电纤维选取碳纳米管、纳米碳纤维或纳米银线。
4.根据权利要求1或2所述的纳米导电纤维/高分子复合材料应变传感器，其特征是：所述高分子材料选取聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯或橡胶。
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