盧少微， 馮春林， 聶 鵬， 王曉強(qiáng)， 熊需海， 馬克明

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)遼寧省通用航空重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)110136;2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，沈陽(yáng)110136;3.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，沈陽(yáng)110136)

聚合物基復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、耐腐蝕及結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性等一系列優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車等領(lǐng)域。然而其結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生裂紋、纖維脫粘或斷裂、分層等多種形式內(nèi)部損傷，這些損傷隱蔽性強(qiáng)，損傷類型和程度難以判斷，因此復(fù)合材料的實(shí)時(shí)檢測(cè)已變得越來越意義重大。近年來，國(guó)內(nèi)外研究人員開發(fā)了多種用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷周期性連續(xù)檢測(cè)的原位結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)［1～6］，包括金屬導(dǎo)線應(yīng)變傳感器、光纖傳感器、壓電傳感器、聲發(fā)射法、聲-超聲法等，但都沒有得到大規(guī)模的工程應(yīng)用，主要因?yàn)樵诒O(jiān)測(cè)過程中需要大量布線、引入缺陷、監(jiān)測(cè)量程小，數(shù)據(jù)分析復(fù)雜，影響使用?？紤]上述原因，開發(fā)一種既不影響原有復(fù)合材料結(jié)構(gòu)完整性，又具備結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)能力的傳感器成為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵問題，而碳納米管(CNTs)的出現(xiàn)，解決了上述問題。

1991年CNTs被Iijima［7］發(fā)現(xiàn)后，引起大批科研工作者的研究興趣，CNTs主要通過化學(xué)氣相沉積法［8～10］、電弧放電法［11，12］和激光蒸發(fā)法［13，14］獲得。大量的研究工作表明CNTs是目前世界上剛度和強(qiáng)度較大的材料之一［15］，其優(yōu)異的力學(xué)性能，比如高剛度與強(qiáng)度、特殊的回彈性、低密度、高長(zhǎng)徑比的纖維結(jié)構(gòu)，加之高電導(dǎo)與熱導(dǎo)性，使CNTs作為納米尺度的增強(qiáng)體以提高聚合物基復(fù)合材料的電性能成為可能［16～18］。CNTs的尺寸比復(fù)合材料纖維小三個(gè)數(shù)量級(jí)，其電阻變化可用來監(jiān)測(cè)非傳導(dǎo)性聚合物基體的損傷。CNTs具有特別高的電流承載能力［19，20］，能夠在低體積含量時(shí)在聚合物內(nèi)形成電流傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)由于CNTs相對(duì)于增強(qiáng)纖維體積較小，能夠在纖維附近形成電傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)并滲透到基體層間區(qū)域，這種應(yīng)變傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)可監(jiān)測(cè)基體間的損傷產(chǎn)生和累積［21］。

本工作綜述CNTs在聚合物基復(fù)合材料健康監(jiān)測(cè)方面的研究進(jìn)展，同時(shí)展望其在聚合物基復(fù)合材料健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究前景。

1 碳納米管聚合物基復(fù)合材料健康監(jiān)測(cè)研究

目前飛行器的大部分結(jié)構(gòu)件均由聚合物基復(fù)合材料制作而成，這些結(jié)構(gòu)件的應(yīng)變損傷直接影響到其服役壽命，同時(shí)還威脅到飛行器的飛行安全［22，23］，故精確監(jiān)測(cè)聚合物基結(jié)構(gòu)件的應(yīng)變損傷具有十分重要的意義。近幾年，學(xué)者開始考慮將CNTs作為納米級(jí)填充物添加到聚合物基體內(nèi)形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，使得絕緣的聚合物基體具有一定的導(dǎo)電性，當(dāng)基體發(fā)生形變時(shí)，通過測(cè)量電阻變化，即可實(shí)現(xiàn)基體的應(yīng)變損傷的檢測(cè)［24～30］。

Kuronuma等［31］報(bào)道多壁碳納米管(MWCNTs)/聚碳酸酯復(fù)合材料中MWCNTs拉伸應(yīng)變傳感特性的研究結(jié)果。該研究小組對(duì)MWCNTs含量為0.8%，1.0%，2.5%，5.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的聚碳酸酯基復(fù)合材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，同時(shí)測(cè)量其MWCNTs網(wǎng)絡(luò)的電阻變化，根據(jù)電子隧道效應(yīng)理論，建立分析模型(見圖1)，分析微/納尺度下CNTs與CNTs之間的形變狀況，并討論微/納結(jié)構(gòu)形變的發(fā)生對(duì)MWCNTs網(wǎng)絡(luò)電阻變化的影響。研究表明建立的模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有著較好的相關(guān)性，將MWCNTs加入到聚碳酸酯基體內(nèi)形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，利用電阻對(duì)應(yīng)變的響應(yīng)來監(jiān)測(cè)聚合物基體的拉伸損傷是可行的。

圖1 復(fù)合材料中MWCNTs網(wǎng)絡(luò)［31］Fig.1 A network of carbon nanotubes in the composite［31］

Gao等［32，33］將少量CNTs加入纖維增強(qiáng)復(fù)合材料內(nèi)沿樹脂基體形成電傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，利用CNTs網(wǎng)絡(luò)對(duì)累積損傷的電響應(yīng)和聲發(fā)射技術(shù)一起監(jiān)測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷產(chǎn)生和擴(kuò)展，并提出用電阻變化相關(guān)的ΔR/L-ΔRE/L和ΔRD/L等參數(shù)來表征結(jié)構(gòu)損傷階段的方法。同時(shí)，其還利用電傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的電阻變化來監(jiān)測(cè)厚平織玻璃纖維環(huán)氧樹脂基體的沖擊損傷。Costa等［34］把原始CNTs和功能化CNTs分別作為填充物填充到苯乙烯-丁二烯-苯乙烯聚合物中形成復(fù)合材料進(jìn)行拉伸測(cè)試(見圖2)，研究表明，當(dāng)試樣發(fā)生形變時(shí)，其電阻發(fā)生改變，加入原始CNTs的復(fù)合材料樣件的滲流閥值約為1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，顯示出良好的機(jī)電響應(yīng)特性，響應(yīng)靈敏度約為2～8，而加入功能化CNTs的復(fù)合材料樣件的滲流閥值約為8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，阻礙其導(dǎo)電性，從而影響應(yīng)變傳感特性。又因苯乙烯-丁二烯-苯乙烯聚合物拉伸應(yīng)變可達(dá)400%，Costa等認(rèn)為加入原始CNTs的復(fù)合材料可作為大應(yīng)變傳感器，用于聚合物基復(fù)合材料的健康監(jiān)測(cè)。

圖2 復(fù)合材料的帶有電學(xué)測(cè)量的應(yīng)力-應(yīng)變實(shí)驗(yàn)裝置示意圖［34］Fig.2 . Schematic representation of the experimental configuration of the clamps for the stress-strain experiments with simultaneous electrical measurements for electromechanical response evaluation of the composites［34］

研究人員把CNTs混入到聚合物中，利用其導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)變的電學(xué)響應(yīng)來監(jiān)測(cè)基體的拉伸應(yīng)變損傷，傳感系數(shù)在2～45之間［34～37］，CNTs除拉伸應(yīng)變傳感特性外，還具有壓縮應(yīng)變傳感特性［38～44］。Ferrreira等［39］在聚偏二氟乙烯中添加不同含量的CNTs形成復(fù)合材料作為壓阻傳感器使用，研究表明在聚偏二氟乙烯中CNTs的滲流閥值在2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右，結(jié)構(gòu)形變會(huì)引發(fā)聚合物中CNTs導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)烈的和可逆化的電學(xué)響應(yīng)(見圖3)，壓阻傳感系數(shù)最大值為6.2，同時(shí)他們還討論溫度對(duì)CNTs導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的影響，在100℃以下CNTs導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)電學(xué)響應(yīng)具有較好的可逆性。Hwang等［43］把CNTs和石墨烯片雜化后添加到聚碳酸酯復(fù)合材料中，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變傳感靈敏度的可控制備，從而通過監(jiān)測(cè)彎曲載荷下的電阻變化來監(jiān)測(cè)復(fù)合材料的彎曲變形損傷。Ku-Herrera等［45］用CNTs和乙烯酯制作成復(fù)合材料，利用CNTs網(wǎng)絡(luò)的電阻變化來監(jiān)測(cè)復(fù)合材料的在拉伸/壓縮變形中的應(yīng)變損傷。在拉伸載荷下，其CNTs導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的電阻變化與應(yīng)變呈線性關(guān)系并具有較好的重復(fù)性，而在壓縮載荷下，其電阻變化與應(yīng)變成非線性關(guān)系，當(dāng)電阻發(fā)生永久變化時(shí)，則預(yù)示著復(fù)合材料也發(fā)生不可逆的損傷。

圖3 2%CNTs試樣的時(shí)間-應(yīng)變-電阻變化曲線(a)和應(yīng)變-電阻變化曲線及擬合曲線(b)［39］Fig.3 Strain applied to a sample with 2%CNTs and the corresponding resistance variation with time(a)，and relative change in electrical resistance due tomechanical deformation(b)［39］

許多科研人員致力于探索聚合物基CNTs應(yīng)變傳感特性，取得一定的成果。Kim等［46］將0.5% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))的MWCNTs加入到三維編織纖維復(fù)合材料中形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，利用復(fù)合材料發(fā)生應(yīng)變時(shí)，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)電阻的變化來檢測(cè)基體的微損傷的出現(xiàn)及其累積損傷，但其電阻變化與應(yīng)變的線性度不高。Hu等［47］制作出一種CNTs/聚合物基復(fù)合材料作為應(yīng)變傳感器來檢測(cè)復(fù)合材料的應(yīng)變損傷，研究表明基體內(nèi)隧道電阻(率)與應(yīng)變傳感器的靈敏度成正比，而高的隧道電阻(率)意味著CNTs的含量高，會(huì)影響CNTs聚合物的成型工藝。Liu和Choi［48］制作CNTs/二甲基硅氧烷彈塑性復(fù)合材料，建立電阻變化與應(yīng)變的關(guān)系，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)對(duì)拉伸大應(yīng)變(＞45%)有著顯著的響應(yīng)，可以用來監(jiān)測(cè)基體的大應(yīng)變損傷。Naghashpour和 Hoa［49］在玻璃纖維環(huán)氧復(fù)合材料中混入CNTs，對(duì)復(fù)合材料層壓板在厚度方向上施加壓縮載荷，同時(shí)測(cè)量其導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)電阻變化，來實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料在厚度方向壓縮變形損傷的監(jiān)測(cè)。Wang等［50］將不同含量CNTs加入到聚酰亞胺復(fù)合材料中，使復(fù)合材料具有一定的導(dǎo)電性，以利用應(yīng)變發(fā)生過程中電阻的變化情況監(jiān)測(cè)復(fù)合材料的應(yīng)變損傷，同時(shí)其對(duì)0～265℃內(nèi)的溫度變化也有比較線性的電學(xué)響應(yīng)關(guān)系。Ferreira等［51］在偏二氟乙烯內(nèi)加入CNTs形成復(fù)合材料，研究其在壓縮變形過程中CNTs網(wǎng)絡(luò)的電阻變化，建立應(yīng)變-電阻變化關(guān)系曲線，傳感系數(shù)達(dá)3.9，并討論CNTs的滲透閥值對(duì)其電學(xué)響應(yīng)的影響。

將CNTs分散到聚合物內(nèi)形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，作為應(yīng)變傳感器來監(jiān)測(cè)自身的應(yīng)變損傷，為聚合物基復(fù)合材料健康監(jiān)測(cè)提供一種新型的監(jiān)測(cè)手段，對(duì)聚合物基復(fù)合材料的自檢測(cè)應(yīng)用具有重要意義。利用CNTs導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行損傷監(jiān)測(cè)面臨的主要挑戰(zhàn)是如何在黏性的樹脂體系內(nèi)分散CNTs的問題，因?yàn)镃NTs含量較高時(shí)具有較強(qiáng)的自團(tuán)聚趨勢(shì)。但是當(dāng)樹脂內(nèi)CNTs含量較低(1%)時(shí)，雖然大于滲透閾值，但 CNTs的傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的電阻率并不高，影響CNTs網(wǎng)絡(luò)的電導(dǎo)性。如果要使混合物擁有良好的CNTs導(dǎo)電性，通常需要在工程樹脂內(nèi)添加3%左右的CNTs，這時(shí)樹脂黏度的增加會(huì)影響復(fù)合材料的成型工藝［52，53］。

2 碳納米管涂層纖維/碳納米線聚合物基復(fù)合材料健康監(jiān)測(cè)研究

為解決CNTs在黏性樹脂體系內(nèi)難分散問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始考慮用其他方法在復(fù)合材料體系內(nèi)添加CNTs電傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。其中，將CNTs涂層涂覆在纖維表面，嵌入到復(fù)合材料體系中形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)是一種常用的方式［54，55］。

Fan等［56］研究出一種CNTs-熱塑性聚氨基甲酸酯(TPU)涂層纖維，將CNTs經(jīng)過超聲波處理嵌入或滲入到熱塑性聚氨基甲酸酯(TPU)多纖絲的表面，得到導(dǎo)電、可彎曲的CNTs-TPU纖維(見圖4)，當(dāng)復(fù)合纖維應(yīng)變?cè)黾訒r(shí)，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的電阻會(huì)增加，反之亦然。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn):CNTs含量為10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，電導(dǎo)率可穩(wěn)定在100s/m，CNTs-TPU纖維電阻會(huì)隨應(yīng)變?cè)黾佣黾?，循環(huán)拉伸應(yīng)變?cè)?00%以前，電阻變化可逆。Fan等認(rèn)為這種敏感性來源于穩(wěn)定固定在多纖絲表面的CNTs網(wǎng)絡(luò)，其不同于其他彈性體粒子填充物，CNTs網(wǎng)絡(luò)在發(fā)生拉伸應(yīng)變高達(dá)1000%時(shí)還未完全喪失導(dǎo)電性，保證其在較大應(yīng)變范圍內(nèi)的傳感特性。Rausch等［57］開發(fā)出一種CNTs涂層玻璃纖維紗，然后將其埋入聚丙烯基體內(nèi)制成傳感器，CNTs在玻璃纖維紗表面形成電導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，通過對(duì)比界面破壞、纖維紗斷裂與電阻變化之間的關(guān)系就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的健康監(jiān)測(cè)。Sebastian等［58］用CNTs覆蓋于玻璃纖維上作為應(yīng)變傳感器，與聚合物基復(fù)合材料一體成型，用于復(fù)合材料大面積結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)傳感器難以測(cè)量的位置的應(yīng)變損傷監(jiān)測(cè)，取得與傳統(tǒng)應(yīng)變傳感器類似的監(jiān)測(cè)效果，在健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景。Zhuang等［59］報(bào)道將CNTs涂在黃麻纖維表面，并加入環(huán)氧樹脂制成復(fù)合材料，研究其自身對(duì)溫度、濕度和應(yīng)力/應(yīng)變的電學(xué)響應(yīng)，建立相應(yīng)的關(guān)系曲線，利用其電阻變化可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料的應(yīng)變損傷監(jiān)測(cè)。

圖4 CNTs-TPU纖維的電鏡照片［56］Fig.4 Images of the CNTs-TPU fibers［56］ (a)surfacemorphology of the CNTs-TPU fibers with 4.3%(mass fraction) CNT loading(Up-right insert shows themagnified image of the same sample.);(b)cross-sectionalmorphologies of CNTs-TPU fibers with 2.3%(mass fraction)CNT loading;(c)cross-sectionalmorphologies of CNTs-TPU fibers with 10%(mass fraction)CNT loading

除將CNTs涂層涂覆在纖維表面方式之外，不少學(xué)者將CNTs制作成碳納米線之后，加入到聚合物基體內(nèi)形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，來實(shí)現(xiàn)其應(yīng)變損傷監(jiān)測(cè)［60，61］。Alexopoulos等［62，63］首次提出在玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中埋入CNTs纖維來進(jìn)行絕緣復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，電阻對(duì)拉伸變形和壓縮變形表現(xiàn)出較好的響應(yīng);而后，采用聚乙烯醇-碳納米管(PVA-CNTs)纖維埋入玻璃纖維增強(qiáng)的塑料復(fù)合材料監(jiān)測(cè)復(fù)合材料的損傷，建立PVA-CNTs纖維的電阻變化與表現(xiàn)復(fù)合材料損傷的已知參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系曲線，但其關(guān)系隨加載次數(shù)的增加而改變。Abot等［64，65］首次將CNTs紡成碳納米線(見圖5)并埋入層壓復(fù)合材料中作為應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)復(fù)合材料的應(yīng)變損傷，特別是復(fù)合材料的分層損傷，這種自感知復(fù)合材料對(duì)損傷十分敏感，有望實(shí)現(xiàn)層壓復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);而后，又對(duì)單獨(dú)的碳納米線進(jìn)行施加壓縮應(yīng)變，測(cè)量其電學(xué)響應(yīng)，建立了應(yīng)變-電阻變化曲線，曲線呈拋物線狀，說明碳納米線可以作為壓阻傳感材料使用。

圖5 碳納米線的電鏡圖片［64］Fig.5 Image of the carbon nanotube yarn［64］ (a)CNT being pulled and twisted from a CNT forest; (b)a CNT thread;(c)two strands twisted simultaneously to form a yarn;(d)a CNT ribbon

如今，用CNTs涂層涂覆在纖維表面或制成碳納米線埋入聚合物內(nèi)形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，利用其對(duì)應(yīng)變的電學(xué)響應(yīng)來監(jiān)測(cè)復(fù)合材料的健康狀況，成為復(fù)合材料健康監(jiān)測(cè)的重要方法。將CNTs涂層纖維、碳納米線埋入聚合物基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)，形成CNTs傳感網(wǎng)絡(luò)，提高了CNTs含量，同時(shí)保持了原有結(jié)構(gòu)的完整性，然而上述材料與本體結(jié)構(gòu)間在大變形時(shí)存在協(xié)同變形問題，影響監(jiān)測(cè)精度，同時(shí)上述方法較難實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的全結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。

3 碳納米紙聚合物基復(fù)合材料健康監(jiān)測(cè)研究

為解決CNTs涂層及碳納米線的協(xié)同變形和全結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)等問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出碳納米紙用作傳感器以監(jiān)測(cè)復(fù)合材料的健康狀況的思路［66，67］。碳納米紙是依靠CNTs與CNTs之間的范德華力相互交錯(cuò)搭接而成的三維網(wǎng)狀互聯(lián)結(jié)構(gòu)薄膜。

Lee等［66］采用SWCNTs薄膜制成的高精度應(yīng)變傳感器(見圖6)，在0%～400%應(yīng)變范圍內(nèi)具有非常高的線性特征，其靈敏度系數(shù)高出傳統(tǒng)金屬箔應(yīng)變傳感器約30倍，可以用于聚合物基復(fù)合材料的健康監(jiān)測(cè)。Luo和Liu［67］制備一種單壁碳納米管(SWCNTs)薄膜作為壓阻傳感器，其傳感系數(shù)為5左右，研究發(fā)現(xiàn)其傳感系數(shù)與薄膜的厚度及其SWCNTs的長(zhǎng)徑比有關(guān)，并得出傳感系數(shù)和SWCNTs束的已占體積成反比關(guān)系。Rein等［68］利用真空吸濾法制備碳納米紙，并封裝在環(huán)氧樹脂基體作為應(yīng)變傳感器使用的相關(guān)研究，研究表明碳納米紙導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)變的電學(xué)響應(yīng)十分敏感，單壁碳納米紙與脆性材料復(fù)合時(shí)表現(xiàn)出較高的應(yīng)變傳感靈敏度;應(yīng)變較低時(shí)，多壁碳納米紙和單壁碳納米紙電阻變化均具有較好的重復(fù)性和可逆性;在0%～30%應(yīng)變范圍內(nèi)，相比于單壁碳納米紙，多壁碳納米紙電學(xué)響應(yīng)更靈敏。Li等［69］制作兩種高度敏感的對(duì)齊CNTs網(wǎng)絡(luò)應(yīng)變傳感器，一是通過氣溶膠將電極噴射印刷在CNTs網(wǎng)絡(luò)上，二是將電極噴射在聚酰亞胺基質(zhì)上，應(yīng)變變化時(shí)，CNTs網(wǎng)絡(luò)電阻也會(huì)變化，兩種類型傳感器的傳感系數(shù)分別為20和40，傳感器的高性能和靈活性特征使其在聚合物基復(fù)合材料健康監(jiān)測(cè)方面具有較大的應(yīng)用前景。

圖6 碳納米紙應(yīng)變傳感器［66］Fig.6 CNT paper strain gauge［66］

Karimov等［70］利用壓片工藝將MWCNTs成型在彈性聚合物梁上，在壓縮變形的同時(shí)測(cè)量CNTs片層的電阻變化，得到電阻-應(yīng)變曲線，傳感系數(shù)在50～80范圍內(nèi)，可以監(jiān)測(cè)彈性聚合物梁的壓縮變形損傷。Su等［71］利用化學(xué)氣相沉淀法將SWCNTs和MWCNTs共同生長(zhǎng)在懸臂梁上(見圖7)，測(cè)量CNTs層的電阻變化，監(jiān)測(cè)懸臂梁的彎曲應(yīng)變損傷，識(shí)別應(yīng)變精度達(dá)0.00099%，最大壓阻傳感系數(shù)為744，對(duì)彎曲變形有著較高的敏感度。Li等［72］采用化學(xué)氣相沉積法在SiC微片上合成垂直定向排列的CNTs層作為應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)，研究表明在復(fù)合材料彈性形變階段，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)電阻隨應(yīng)變單調(diào)增加，而在塑性形變區(qū)域電阻開始下降。Li等認(rèn)為可以利用其電阻變化特征來識(shí)別SiC-CNTs復(fù)合材料的彈性及塑性變形。除直接測(cè)量碳納米紙導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的電阻變化來進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)，研究人員還開發(fā)出一種無(wú)接觸應(yīng)變傳感器用于聚合物基復(fù)合材料的健康監(jiān)測(cè)。Qin等［73］應(yīng)用微拉曼光譜法使碳納米紙作為無(wú)接觸應(yīng)變傳感器，通過定量評(píng)估CNTs薄膜獨(dú)立區(qū)域?qū)φw拉曼光譜的影響，建立碳納米紙的應(yīng)變傳感模型，以此來監(jiān)測(cè)平面部件在微尺度下的應(yīng)變情況。

關(guān)于碳納米紙?jiān)诰酆衔锘鶑?fù)合材料健康監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用，盧少微項(xiàng)目組也進(jìn)行了相關(guān)的研究，設(shè)計(jì)出一種基于碳納米紙的應(yīng)變傳感器［74，75］，可通過測(cè)量與復(fù)合材料一體固化成型的碳納米紙傳感器電阻變化來監(jiān)測(cè)復(fù)合材料在靜動(dòng)態(tài)拉伸狀況下的變形損傷。其運(yùn)用研體研磨、磁力攪拌、超聲分散、高速離心法等機(jī)械融合法將CNTs和表面分散劑的混合物(如曲拉通TX-100)制備成CNTs的單分散水溶液后，將其倒入真空吸濾裝置的容器抽濾成膜，高溫固化后剝離濾膜得到碳納米紙，埋入復(fù)合材料內(nèi)部特定位置，按復(fù)合材料固化工藝成型，制備出碳納米紙應(yīng)變傳感器，來監(jiān)測(cè)聚合物基復(fù)合材料的健康狀況。研究表明發(fā)生拉伸形變時(shí)，碳納米紙傳感器對(duì)應(yīng)變具有良好的電學(xué)響應(yīng)，靈敏度系數(shù)分別為10.21(0～39000με)和524.79(39000～55000με)，完全可以滿足復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)需要。碳納米紙使復(fù)合材料具備結(jié)構(gòu)自健康監(jiān)測(cè)功能，可以用于結(jié)構(gòu)的應(yīng)變損傷監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖7 二維應(yīng)變傳感器插圖［71］Fig.7 Illustration of the two-dimensional strain sensors［71］ (a)top-view;(b)sensing element;(c)sensing element design 1(short cantilever beam);(d)sensing element2(long cantilever beam)

以上介紹了CNTs在聚合物基復(fù)合材料健康監(jiān)測(cè)中的研究進(jìn)展，目前主要利用CNTs微觀導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)對(duì)宏觀形變的優(yōu)異電學(xué)響應(yīng)特性來實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合物基復(fù)合材料的健康監(jiān)測(cè)，但仍處于科研初期。從CNTs到CNTs涂層纖維、碳納米線，再到碳納米紙，研究人員致力于將CNTs推向工程化應(yīng)用，未來CNTs聚合物基復(fù)合材料的工藝兼容性和工程實(shí)用性將得到更好的解決。將CNTs與其他先進(jìn)技術(shù)(如微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)，無(wú)線通訊技術(shù)和集成電路設(shè)計(jì)等)結(jié)合起來，有可能帶來其他產(chǎn)業(yè)的革命性變化。隨著難題的不斷攻克，CNTs將在聚合物基復(fù)合材料健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得以更廣泛的應(yīng)用。

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