本發(fā)明涉及一種碳納米管取向膜及其復(fù)合材料的制備方法，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該碳納米管膜與復(fù)合材料一體化成型后能夠?qū)崿F(xiàn)材料的各向應(yīng)變監(jiān)測(cè)。

背景技術(shù)：

自1991年日本電鏡專家Iijima發(fā)現(xiàn)碳納米管(CNTs)以來，不同領(lǐng)域的專家們對(duì)這種獨(dú)特的一維石墨結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了濃厚的興趣。碳納米管具有極高的拉伸強(qiáng)度、彈性模量和彈性變形，其綜合性能高于任何已發(fā)現(xiàn)的傳統(tǒng)材料。例如單壁碳納米管的模量高達(dá)1TPa(約為鋼的5倍)，其拉伸強(qiáng)度普遍分布于50–200GPa，并且單壁碳納米管的密度只有1.2g/cm³左右。因此，碳納米管復(fù)合材料較目前的高性能碳纖維復(fù)合材料更輕、更強(qiáng)。此外，碳納米管具有優(yōu)異電、導(dǎo)熱和熱穩(wěn)定性能，故碳納米管復(fù)合材料被認(rèn)為是最具潛力替代碳纖維復(fù)合材料同時(shí)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)/功能一體化的下一代先進(jìn)復(fù)合材料。

在碳納米管的眾多應(yīng)用領(lǐng)域中，由碳納米管的壓阻性能所決定的其在應(yīng)變傳感器領(lǐng)域的作用引人關(guān)注。碳納米管具有優(yōu)異的壓阻性能，單根碳納米管在1％的應(yīng)變范圍下電阻能變化75倍，對(duì)形變具有極佳的敏感性，是應(yīng)變敏感元件的極佳材料。碳納米管自身的壓阻性能和碳納米管之間的接觸電阻，使碳納米管膜也具有良好的應(yīng)變敏感性，同時(shí)更具有好的加工性能，更適用于宏觀結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)變監(jiān)測(cè)。

清華大學(xué)和鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司共同申請(qǐng)的專利CN200910188746.9“應(yīng)變測(cè)量裝置及測(cè)量方法”公開了一種應(yīng)變測(cè)量裝置，其包括：一應(yīng)變片；一用于夾持并拉伸所述應(yīng)變片的夾持裝置，所述應(yīng)變片在拉伸方向上產(chǎn)生縱向應(yīng)變，在垂直于拉伸方向上產(chǎn)生橫向應(yīng)變；以及一用于測(cè)量所述應(yīng)變片的橫向應(yīng)變的圖像記錄裝置；其特征在于，所述應(yīng)變片包括一碳納米管膜結(jié)構(gòu)，該碳納米管膜結(jié)構(gòu)包括多個(gè)碳納米管，所述多個(gè)碳納米管分別沿一第一方向與一第二方向擇優(yōu)取向排列，沿第一方向擇優(yōu)取向排列的碳納米管與沿第二方向擇優(yōu)取向排列的碳納米管重疊交叉設(shè)置，所述第一方向與第二方向具有一夾角，所述夾角大于0小于180度，使用時(shí)，應(yīng)變片是沿所述第一方向與第二方向的夾角的平分線的方向設(shè)置在夾持裝置。利用該類方法監(jiān)測(cè)時(shí)傳感器沿著監(jiān)測(cè)應(yīng)變方向變形外，受泊松效應(yīng)的影響在垂直監(jiān)測(cè)方向發(fā)生形變，這些因素都會(huì)造成監(jiān)測(cè)信號(hào)的變化。利用本發(fā)明方法，可降低垂直監(jiān)測(cè)方向應(yīng)變影響。

此外，將碳納米管膜與復(fù)合材料一體化成型，能制造出在使用的各個(gè)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)變的復(fù)合材料。比起現(xiàn)有的應(yīng)變傳感器，碳納米管膜傳感器具有更大的應(yīng)變敏感性，更佳的環(huán)境耐受性以及能與復(fù)合材料一體化成型的優(yōu)點(diǎn)。

上海復(fù)合材料科技有限公司的專利CN201610546596.4“結(jié)構(gòu)/加熱一體化復(fù)合材料及其制備方法”提供了一種結(jié)構(gòu)/加熱一體化復(fù)合材料及其制備方法；所述復(fù)合材料為包括增強(qiáng)體層、碳納米管膜/樹脂復(fù)合層的多層結(jié)構(gòu)；所述增強(qiáng)體層、碳納米管膜/樹脂復(fù)合層依次鋪層。所述方法為將碳納米管膜/樹脂復(fù)合層與電極連接，然后作為加熱部件鋪放于增強(qiáng)體層間或表面，通過一體化成型工藝制備復(fù)合材料。該發(fā)明制備的復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和電加熱特性，在深空探測(cè)、極地觀測(cè)、民用電子器件等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。其復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和模量較相應(yīng)材料體系的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料分別提高3％以上，150℃以內(nèi)的任何加熱溫度均可在5分鐘以內(nèi)達(dá)到平衡，并且在150℃下連續(xù)加熱200小時(shí)，電阻變化小于5％。該方法利用碳納米管膜仍然不能克服材料多方向應(yīng)變對(duì)電信號(hào)的影響，同時(shí)無規(guī)取向的碳納米管膜主要依靠碳納米管間的電阻變化實(shí)現(xiàn)壓阻特性，通過取向后碳納米管承載能力更強(qiáng)，可以更好發(fā)揮碳納米管自身的壓阻特性。

現(xiàn)有技術(shù)大多采用顆粒填充樹脂的形式來制備碳納米管復(fù)合材料，但受到碳納米管難分散和無規(guī)分布的影響其復(fù)合材料的性能遠(yuǎn)低于預(yù)期水平。目前已經(jīng)發(fā)展出許多碳納米管分散技術(shù)，如超聲、三輥研磨、球磨和螺桿擠出，然而利用這些技術(shù)很難制備分散良好的高碳納米管含量復(fù)合材料，并且隨著碳納米管含量的增加體系的粘度大幅度提高，對(duì)成型工藝產(chǎn)生影響。采用碳納米管膜與樹脂進(jìn)行整體復(fù)合的方法能有效避免上述缺陷，充分發(fā)揮碳納米管膜良好的力學(xué)，功能特性。同時(shí)，采用傳統(tǒng)整片的碳納米管膜進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)過程中，因壓阻效應(yīng)碳管膜的電阻受到多個(gè)方向形變的綜合作用，亟需發(fā)展一種應(yīng)變監(jiān)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)某一方向的應(yīng)變監(jiān)測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種碳納米管膜/復(fù)合材料一體化成型應(yīng)變監(jiān)測(cè)方法。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本方法采用以下技術(shù)方案。

一種碳納米管膜/復(fù)合材料一體化成型應(yīng)變監(jiān)測(cè)方法，包括如下步驟：

(1)制備無規(guī)碳納米管薄膜，并通過機(jī)械牽伸制成碳納米管取向膜；

(2)將上述碳納米管取向膜加工成具有連續(xù)U型齒狀的碳納米管膜應(yīng)變傳感器；

(3)碳納米管膜的預(yù)浸，將上述加工好的碳納米管膜應(yīng)變傳感器與樹脂進(jìn)行復(fù)合，預(yù)固化，成為碳納米管膜預(yù)制體；

(4)碳納米管膜應(yīng)變傳感器布設(shè)與復(fù)合材料成型，將上述碳納米管膜預(yù)制體鋪于復(fù)合材料預(yù)浸料的上下表面得到復(fù)合材料，將所述復(fù)合材料加壓固化，形成可進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)的碳納米管膜復(fù)合材料；

(5)連接電極材料，在線監(jiān)測(cè)應(yīng)變，將可進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)的碳納米管膜復(fù)合材料的電極連接到外接電路，通過多種加載模式改變復(fù)合材料的形狀，記錄電阻儀的變化，計(jì)算出應(yīng)變的實(shí)時(shí)變化。

所述步驟(1)中無規(guī)碳納米管薄膜由幾十至幾百層厚度不低于0.1μm的碳納米管薄層構(gòu)成，碳納米管在薄膜面內(nèi)二維分布，無規(guī)取向，不沿厚度分布。

所述步驟(1)中無規(guī)碳納米管薄膜的成型過程中，碳納米管與碳納米管薄膜同時(shí)形成；同時(shí)該碳納米管膜具有良好的牽伸性，可通過機(jī)械牽伸改變碳納米管的取向。

所述步驟(1)中采用多滾軸系統(tǒng)來改變碳納米管膜的牽伸率制備碳納米管取向膜，各個(gè)滾軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度從進(jìn)料端至出料端速率依次遞增，滾軸速度1mm/min-30mm/min。

所述步驟(2)中，將切割成片狀碳納米管取向膜加工成所需要的連續(xù)U型齒狀，制成碳納米管膜應(yīng)變傳感器，加工后齒狀碳納米管膜窄帶寬度0.2-1mm，碳納米管傳感段間隙0.5-1mm，碳納米管膜齒邊長(zhǎng)度與寬度比值大于5。從而延長(zhǎng)了碳納米管膜應(yīng)變傳感的有效長(zhǎng)度，最大程度發(fā)揮了碳納米管自身的壓阻效應(yīng)，同時(shí)克服了監(jiān)測(cè)某方向應(yīng)變時(shí)垂直方向的泊松效應(yīng)造成的影響。

所述步驟(3)中采用熱固性或熱塑性樹脂浸漬加工后的碳納米管膜。對(duì)于熱固性樹脂，利用熱固性樹脂的纖維預(yù)浸料，按照模具-預(yù)浸料-帶孔四氟布-碳納米管膜-帶孔四氟布-預(yù)浸料-帶孔四氟布-碳納米管膜-帶孔四氟布-預(yù)浸料-模具的順序在熱壓機(jī)中進(jìn)行熱壓，可一次制備多層預(yù)浸的碳納米管膜。其中所用的預(yù)浸料樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于38wt％。在熱壓機(jī)中以低于樹脂體系固化溫度20-30℃的溫度，以5-10MPa的壓力進(jìn)行熱壓至樹脂固化度50-70％。對(duì)于熱塑性樹脂，可將其溶于極性溶液，配置成1wt％-5wt％的樹脂溶液，浸漬碳納米管膜，其后將碳納米管膜鋪放與模具上，利用真空袋壓保證碳納米管膜平整，同時(shí)促進(jìn)溶劑揮發(fā)。

所述樹脂體系是指聚乙烯、聚乙烯醇、環(huán)氧樹脂、雙馬樹脂、聚芳基乙炔樹脂和聚酰亞胺中的任意一種或多種。

所述步驟(4)中將預(yù)浸料按照鋪疊順序鋪疊成復(fù)合材料預(yù)成型體，并且在上下兩表面分別沿著相互垂直方向鋪放碳納米管膜應(yīng)變傳感器預(yù)制體，可分別監(jiān)測(cè)相互垂著的兩個(gè)方向的復(fù)合材料應(yīng)變。同時(shí)對(duì)于導(dǎo)電纖維制備的預(yù)浸料和碳納米管膜傳感器之間可以加入一層絕緣層，可以為玻璃纖維薄氈或電工布、芳綸纖維薄氈、或者塑料薄膜，厚度0.02-0.1mm。

所述步驟(5)中，在連續(xù)U型齒狀碳納米管膜傳感器的兩個(gè)端部連接金屬電極，電極可以為銅絲或銀線，并用導(dǎo)電銀膠連接電極和碳納米管膜的兩個(gè)端部，從而減少接觸電阻。在線監(jiān)測(cè)應(yīng)變?yōu)椋寒?dāng)復(fù)合材料發(fā)生縱向拉伸的時(shí)候，通過上表面監(jiān)測(cè)到電阻值的變化除以碳納米管膜的應(yīng)變敏感系數(shù)即可得到材料的縱向應(yīng)變，可以通過下表面電阻值的變化除以碳納米管膜的應(yīng)變敏感系數(shù)即可得到材料的橫向應(yīng)變，上表面電阻值的改變除以下表面電阻值的改變即是復(fù)合材料的泊松比。

本發(fā)明進(jìn)一步采用如下具體的技術(shù)方案：

第一步，制備無規(guī)取向的碳納米管膜，該薄膜可以采用化學(xué)氣象沉積等方法進(jìn)行制備；該膜由幾時(shí)至幾百層厚度不高于0.1μm的碳納米管薄膜構(gòu)成，碳納米管在薄膜內(nèi)呈現(xiàn)二維無規(guī)分布，不沿厚度分布。該碳納米管膜中的碳納米管長(zhǎng)度達(dá)到厘米級(jí)，相互纏結(jié)且具有良好的牽伸性，可通過機(jī)械牽伸改變碳納米管的取向。

第二步，將3-5cm寬的碳納米管條帶在三級(jí)差速多滾軸系統(tǒng)上進(jìn)行牽伸取向，制備碳納米管取向膜。第一級(jí)滾軸的轉(zhuǎn)速為5mm/s，通過調(diào)控滾軸之間的轉(zhuǎn)速差從5mm/s到30mm/s，牽伸率能達(dá)到5％-30％。

第三步，將碳納米管膜根據(jù)需求切割成不同大小的片狀材料，寬度為1-20mm，長(zhǎng)度為5-30mm。采用激光切割方法加工成其工作所需要的U型齒狀，齒狀碳納米管膜齒邊寬度0.2-1mm，齒邊間距0.5-1mm，碳納米管膜齒邊長(zhǎng)度與寬度比值大于5，最優(yōu)比值大于10，從而加工得到碳納米管膜應(yīng)變傳感器。

第四步，碳納米管膜的預(yù)浸，將上述加工好的碳納米管膜應(yīng)變傳感器與樹脂進(jìn)行復(fù)合，預(yù)固化，成為碳納米管膜預(yù)制體，所用的樹脂體系可以為環(huán)氧樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂、氰酸酯樹脂等。對(duì)于熱固性樹脂，利用熱固性樹脂的纖維預(yù)浸料浸潤(rùn)碳納米管膜，其中所用的預(yù)浸料樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于38wt％。按照模具-預(yù)浸料-帶孔四氟布-碳納米管膜-帶孔四氟布-預(yù)浸料-帶孔四氟布-碳納米管膜-帶孔四氟布-預(yù)浸料-模具的順序在熱壓機(jī)中進(jìn)行熱壓，一次制備多層預(yù)浸的碳納米管膜。在熱壓機(jī)中以低于樹脂體系固化溫度20-30℃的溫度，以5-10MPa的壓力進(jìn)行熱壓至樹脂固化度50-70％。對(duì)于熱塑性樹脂，可將其溶于極性溶液，配置成1wt％-5wt％的樹脂溶液，浸漬碳納米管膜，溶劑揮發(fā)后獲得碳納米管膜傳感器。

第五步，復(fù)合材料的鋪層，將碳納米管膜預(yù)制體鋪于復(fù)合材料預(yù)浸料的上下表面，碳納米管傳感器U型齒邊長(zhǎng)度方向與所監(jiān)測(cè)應(yīng)變方向一致，將復(fù)合材料加壓固化，形成可進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)的碳納米管膜復(fù)合材料。對(duì)于導(dǎo)電纖維制備的預(yù)浸料和碳納米管膜傳感器之間可以加入一層絕緣層，可以為玻璃纖維薄氈或電工布、芳綸纖維薄氈、或者塑料薄膜，厚度0.02-0.1mm。

第六步，連接電極材料，將碳納米管膜應(yīng)變傳感器用導(dǎo)電銀膠與導(dǎo)電銅線或銀線連接，在100℃下固化1h后，電極的接觸電阻小于10mΩ。

第七步，應(yīng)變?cè)诰€監(jiān)測(cè)，將復(fù)合材料的電極連接到外接電路，以直流低電阻儀為例，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接入端電阻的變化。通過多種加載模式給復(fù)合材料施加載荷，記錄電阻儀的變化，可以通過碳納米管膜的壓阻因子計(jì)算出應(yīng)變的實(shí)時(shí)變化。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明制備的碳納米管膜復(fù)合材料應(yīng)變傳感器能有效監(jiān)測(cè)復(fù)合材料上各種形式的應(yīng)變，具有響應(yīng)迅速，應(yīng)用廣泛，敏感度高的優(yōu)點(diǎn)。

(2)U型齒狀結(jié)構(gòu)有效消除整片碳納米管膜泊松效應(yīng)的影響，即碳納米管膜某方向發(fā)生應(yīng)變，垂直方向的應(yīng)變影響降到最低，從而準(zhǔn)確感知材料應(yīng)變變化。

(3)U型齒狀結(jié)構(gòu)使監(jiān)測(cè)段的有效長(zhǎng)度增加數(shù)倍，用于應(yīng)變監(jiān)測(cè)，電阻變化信號(hào)響應(yīng)更顯著。

(4)本發(fā)明制備的碳納米管膜復(fù)合材料應(yīng)變傳感器能通過調(diào)節(jié)碳納米管膜本身的牽伸率，來改變傳感器的應(yīng)變敏感系數(shù)和應(yīng)變監(jiān)測(cè)范圍，分別可達(dá)到14和30％。使之可以根據(jù)需求調(diào)節(jié)，生產(chǎn)使用不同牽伸率的應(yīng)變傳感器。

(5)本發(fā)明中使用的碳納米管膜能夠與不同的樹脂復(fù)合能制備在不同環(huán)境下的復(fù)合材料應(yīng)變傳感器。如與環(huán)氧樹脂復(fù)合，傳感器能在酸性或堿性環(huán)境下工作。與聚芳基乙炔復(fù)合，傳感器能耐受250℃的高溫。

(6)本發(fā)明不但可以用于監(jiān)測(cè)玻璃纖維、芳綸纖維復(fù)合材料，同時(shí)引入絕緣層可利用碳納米管膜電阻變化用于監(jiān)測(cè)碳纖維等導(dǎo)電纖維復(fù)合材料的應(yīng)變。

(6)本發(fā)明制備的應(yīng)變傳感器可同時(shí)測(cè)定復(fù)合材料在兩個(gè)方向的應(yīng)變，并且計(jì)算出材料的泊松比。

附圖說明

圖1為初始無規(guī)取向的碳納米管薄膜表面形貌；

圖2多滾軸系統(tǒng)對(duì)碳納米管膜條帶的牽伸過程；

圖3牽伸取向后的碳納米管膜微觀形貌；

圖4 U型齒狀碳納米管膜應(yīng)變傳感器加工示意圖；

圖5碳納米管膜預(yù)浸鋪層結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6碳納米管與導(dǎo)電纖維鋪層設(shè)置；

圖7不同方向應(yīng)變監(jiān)測(cè)方法示意圖；

圖8為實(shí)施例中復(fù)合材料制件受軸向拉伸時(shí)，碳納米管膜電阻與縱向應(yīng)變的關(guān)系；

圖9為實(shí)施例中復(fù)合材料制件受軸向拉伸時(shí)，碳納米管膜電阻與橫向應(yīng)變的關(guān)系。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明做各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣屬于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

本發(fā)明提供一種基于碳納米管膜的復(fù)合材料各向應(yīng)變監(jiān)測(cè)方法，所述制備方法包括如下步驟：

第一步，無規(guī)碳納米管薄膜的制備。

該薄膜可以采用氣相沉積等方法進(jìn)行制備；該薄膜由幾十至幾百層厚度不低于0.1μm的碳納米管薄層構(gòu)成，碳納米管在薄膜面內(nèi)二維分布，無規(guī)取向，不沿厚度分布，參見圖1。所述氣相沉積法制備碳納米管薄膜包括以下步驟：

在惰性氣體(如氬氣、氫氣或兩者混合物)的保護(hù)作用下，將碳源乙醇、噻吩與催化劑二茂鐵混合體系注入高溫管式爐中。在高溫管式爐的另一端采用纏繞裝置收集形成的碳納米管氣凝膠，單層氣凝膠厚度約為0.1μm，收集氣凝膠的纏繞滾筒寬度5cm，直徑1m，采用溶液噴灑于碳納米管氣凝膠，溶液揮發(fā)后形成碳納米管薄膜，隨著纏繞單層厚度變化，最終碳納米管薄膜厚度幾微米至幾十微米，最終沿著纏繞滾筒表面平行于軸向切開，形成碳納米管膜條帶。這種碳納米管薄膜的生產(chǎn)方法更容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)批量化生產(chǎn)，而且通過調(diào)整高溫管式爐的直徑以及纏繞裝置可以控制碳納米管薄膜的尺寸，因而更能夠滿足實(shí)際的應(yīng)用?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)纏繞的時(shí)間來控制碳納米管薄膜單層的厚度，但不低于0.1微米。改變生長(zhǎng)條件可以得到單壁碳納米管、少壁碳納米管和多壁碳納米管中的一種或多種，碳納米管之間通過范德華力相互纏結(jié)形成自支撐碳納米管薄膜。碳納米管與碳納米管薄膜幾乎同時(shí)形成，因此碳納米管的優(yōu)異性能損耗較小。

第二步，將碳納米管膜在多滾軸系統(tǒng)上進(jìn)行牽伸取向，制備碳納米管取向膜。

本發(fā)明采用多滾軸系統(tǒng)來改變碳納米管膜的牽伸率，各個(gè)滾軸的拉伸速率為5mm/min,10mm/min,15mm/min等，通過調(diào)節(jié)滾筒之間的速率差，能夠調(diào)控碳管膜的牽伸率，見圖2。為了能提高碳納米管膜的可牽伸性，需要在牽伸過程中噴灑乙醇溶劑，乙醇能消除牽伸過程中碳納米管膜間形成的缺陷和孔隙，使得牽伸過程能夠順利進(jìn)行而不至于發(fā)生破壞。牽伸過程中，碳納米管沿牽伸方向擇優(yōu)取向，碳納米管膜的寬度變窄，牽伸率能達(dá)到5％-30％，見圖3。

第三步，將碳納米管膜根據(jù)需求切割成5×10mm等不同規(guī)格的片狀材料，加工成其工作所需要的U型齒狀，見圖4，加工成碳納米管膜應(yīng)變傳感器。利用激光切割將碳納米管膜加工成U型齒狀，這樣的形狀能夠充分發(fā)揮碳納米管膜縱向方向上的壓阻效應(yīng)，而消除橫向方向上的變形給壓阻效應(yīng)帶來的影響。

第四步，碳納米管膜的預(yù)浸，將上述加工好的碳納米管膜應(yīng)變傳感器與樹脂進(jìn)行復(fù)合，預(yù)固化，成為碳納米管膜預(yù)制體，同時(shí)表面的樹脂可以抑制后續(xù)復(fù)合過程中導(dǎo)電纖維等對(duì)其電信號(hào)的影響。

對(duì)于熱固性樹脂，采用復(fù)合材料成型預(yù)吸膠方法制備碳納米管復(fù)合膜，該方法碳納米管膜吸入樹脂量可控，且分布均勻。按照模具-預(yù)浸料-帶孔四氟布-碳納米管膜-帶孔四氟布-預(yù)浸料-帶孔四氟布-碳納米管膜-帶孔四氟布-預(yù)浸料-模具的順序在熱壓機(jī)中以低于樹脂體系固化溫度20℃的溫度，以5MPa的壓力進(jìn)行熱壓，見圖5。制1h后，將整個(gè)模具隨爐冷卻，得到碳納米管膜預(yù)制體。

對(duì)于熱塑性樹脂，可將其溶于極性溶液，配置成1wt％-5wt％的樹脂溶液，浸漬碳納米管膜，溶劑揮發(fā)后獲得碳納米管膜傳感器。

所述樹脂體系是指聚乙烯、聚乙烯醇、環(huán)氧樹脂、雙馬樹脂、聚芳基乙炔樹脂和聚酰亞胺中的任意一種。

第五步，復(fù)合材料的鋪層，將碳納米管膜預(yù)制體鋪于復(fù)合材料預(yù)浸料的上下表面，將復(fù)合材料加壓固化，形成可進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)的碳納米管膜復(fù)合材料，見圖6。

將預(yù)浸料按照鋪疊順序鋪疊成復(fù)合材料預(yù)成型體，并且在上下兩表面分別沿著和垂直于復(fù)合材料軸向鋪上碳納米管膜應(yīng)變傳感器預(yù)制體。這樣在試樣受到軸向拉伸時(shí)，在上表面的碳納米管膜能夠監(jiān)測(cè)試樣的縱向應(yīng)變，在下表面的碳納米管膜能夠監(jiān)測(cè)式樣的橫向應(yīng)變。

對(duì)于導(dǎo)電纖維制備的預(yù)浸料和碳納米管膜傳感器之間可以加入一層絕緣層，可以為玻璃纖維薄氈或電工布、芳綸纖維薄氈、或者塑料薄膜，厚度0.02-0.1mm。

第六步，連接電極材料，將碳納米管膜應(yīng)變傳感器用導(dǎo)電銀膠與導(dǎo)電銅線連接，在100℃下固化1h后，電極的接觸電阻小于10mΩ。

第七步，應(yīng)變?cè)诰€監(jiān)測(cè)，將復(fù)合材料的電極連接到外接電路，以直流低電阻儀為例，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接入端電阻的變化。通過多種加載模式對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行加載，記錄電阻儀的變化，結(jié)合碳納米管膜的壓阻因子，可以計(jì)算出應(yīng)變的實(shí)時(shí)變化。

當(dāng)復(fù)合材料發(fā)生縱向拉伸的時(shí)候，通過上表面監(jiān)測(cè)到電阻值的變化除以碳納米管膜的應(yīng)變敏感系數(shù)即可得到材料的縱向應(yīng)變。同理，可以通過下表面電阻值的變化得到材料的橫向應(yīng)變。上表面電阻值的改變除以下表面電阻值的改變即是復(fù)合材料的泊松比。

實(shí)施例1：

應(yīng)用本發(fā)明提供的制備方法，通過將無取向的碳納米管膜/環(huán)氧復(fù)合膜與玻璃纖維復(fù)合材料復(fù)合，制備能進(jìn)行軸向應(yīng)變監(jiān)測(cè)的玻璃纖維復(fù)合材料，具體步驟如下：

第一步，碳納米管薄膜的制備；

在惰性氣體的保護(hù)作用下，將乙醇、二茂鐵和噻吩的混合液以0.15ml/min的速度注入到1300℃的高溫管式爐中。惰性氣體為氬氣與氫氣(體積比為1:1)的混合物，其流量為4000sccm。在高溫管式爐的另一端形成連續(xù)的碳納米管氣凝膠，通過纏繞裝置收集碳納米管氣凝膠，滾筒寬度3cm，直徑0.5m，碳納米管氣凝膠單層厚度約0.1μm，同時(shí)用乙醇與水的混合液噴灑碳納米管氣凝膠得到碳納米管薄膜。收集得到寬3cm和厚15微米的碳納米管薄膜。

第二步，碳納米管復(fù)合預(yù)制體的制備；

利用激光切割法把上述得到的碳納米管薄膜切割成U型齒狀，其中齒邊長(zhǎng)5mm，寬0.2mm，齒邊間距為1mm，通過切割，形成長(zhǎng)5mm，寬5.8mm，厚度為15微米的傳感器，該傳感器件由5段長(zhǎng)度為5mm的碳管條帶連續(xù)構(gòu)成。選用不飽和樹脂/玻璃纖維預(yù)浸料，采用模具/隔離膜/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料/多孔四氟布/碳納米管膜/多孔四氟布/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料/隔離膜/模具的方式鋪疊，在60℃、5MPa壓力下進(jìn)行熱壓，樹脂充分流動(dòng)浸漬碳納米管膜，1h后制得預(yù)固化的碳納米管膜預(yù)制體。

第三步，碳納米管膜/玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的制備；

將預(yù)浸料纖維沿著0°方向鋪成單向復(fù)合材料層板，且在層板的一個(gè)表面沿著纖維方向鋪上碳納米管膜應(yīng)變傳感器預(yù)制體，其齒邊長(zhǎng)度方向與纖維方向一致。將鋪好的預(yù)浸料在0.5MPa，120℃下固化2h，隨爐冷卻后得到碳納米管膜/玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料。這樣在試樣受到軸向拉伸時(shí)，貼附在表面上的碳納米管膜能夠監(jiān)測(cè)試樣的縱向應(yīng)變。

第四步，碳納米管膜/玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的軸向應(yīng)變監(jiān)測(cè)

連接電極材料，將碳納米管膜應(yīng)變傳感器端部用導(dǎo)電銀膠與導(dǎo)電銅線連接，在100℃下固化1h后，電極的接觸電阻小于10mΩ。將復(fù)合材料的電極連接到外接的直流低電阻儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接入端電阻的變化。通過在玻璃纖維復(fù)合材料上施加軸向的應(yīng)變，通過記錄電阻儀上電阻值的變化，可以計(jì)算出應(yīng)變的實(shí)時(shí)變化。圖8表明碳納米管膜受拉時(shí)，電阻和應(yīng)變的關(guān)系，應(yīng)變敏感因子約為5.0。

實(shí)施例2：

應(yīng)用本發(fā)明提供的制備方法，通過滾軸進(jìn)行牽伸取向，制備牽伸率為30％的碳納米管膜，并且進(jìn)一步與碳纖維環(huán)氧預(yù)浸料復(fù)合，制備能進(jìn)行橫向應(yīng)變監(jiān)測(cè)的碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料。具體步驟如下：

第一步，碳納米管膜的制備；

在惰性氣體的保護(hù)作用下，將乙醇、二茂鐵和噻吩的混合液以0.15ml/min的速度注入到1300℃的高溫管式爐中。惰性氣體為氬氣與氫氣(體積比為1:1)的混合物，其流量為4000sccm。在高溫管式爐的另一端形成連續(xù)的碳納米管氣凝膠，通過纏繞裝置收集碳納米管氣凝膠，纏繞裝置寬度5cm，直徑0.5m。收集后用乙醇噴灑碳納米管氣凝膠得到碳納米管膜，得到寬5cm和厚15微米的碳納米管薄膜。沿著收集裝置表面平行于軸線方向切割，形成5cm寬約3m長(zhǎng)的碳納米管條帶。

第二步，碳納米管復(fù)合預(yù)制體的制備；

將制得的碳納米管膜條帶經(jīng)過差速的三級(jí)滾軸系統(tǒng)進(jìn)行牽伸，滾軸的轉(zhuǎn)速線速度分別為5mm/min，11mm/min，15mm/min,同時(shí)在牽伸的過程中噴灑乙醇便于碳納米管膜的牽伸。得到牽伸率為30％的碳納米管膜，牽伸后碳管膜厚度變?yōu)?5微米。

利用激光切割法把上述得到的碳納米管薄膜切割成U形齒狀，其中齒邊長(zhǎng)10mm，寬1mm，齒邊間距為1mm，形成長(zhǎng)10mm，寬5mm，厚度為25微米的傳感器，該器件由3段長(zhǎng)度為10mm的碳管條帶連接構(gòu)成。

選用E51環(huán)氧樹脂/碳纖維預(yù)浸料，采用模具/隔離膜/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料/多孔四氟布/碳納米管膜/多孔四氟布/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料/碳納米管膜/多孔四氟布/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料/隔離膜/模具的鋪疊方式進(jìn)行在70℃，10MPa下進(jìn)行熱壓，一次制備兩片碳納米管膜傳感器，2.5h后樹脂充分流動(dòng)浸漬碳納米管膜，制得樹脂碳納米管膜預(yù)制體。

第三步，取向碳納米管膜/碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備；

將預(yù)浸料正交鋪層制備復(fù)合材料層板，在鋪層的一個(gè)表面沿著90°方向鋪放碳納米管膜應(yīng)變傳感器，其中齒邊長(zhǎng)度方向與90°方向一致，碳納米管膜傳感器與纖維鋪層間鋪放0.05mm厚玻璃纖維氈。將鋪好的預(yù)浸料在0.3MPa，150℃下固化3h，隨爐冷卻后得到碳納米管膜/環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料。這樣在試樣受到0°拉伸時(shí)，貼附在表面上的碳納米管膜能夠監(jiān)測(cè)試樣的橫向(90°)應(yīng)變。

第四步，碳納米管膜/環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料的橫向向應(yīng)變監(jiān)測(cè)

將碳納米管膜應(yīng)變傳感器用導(dǎo)電銀膠與導(dǎo)電銀線連接，在100℃下固化1h后。將復(fù)合材料的電極連接到外接的直流低電阻儀，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接入端電阻的變化。在碳纖維復(fù)合材料0°施加拉伸載荷，記錄電阻儀上電阻值的變化，可以計(jì)算出復(fù)合材料橫向應(yīng)變的實(shí)時(shí)變化。圖9表明，碳納米管膜在90°方向受壓時(shí)，電阻變化與橫向應(yīng)變的關(guān)系，應(yīng)變敏感因子為2.6。

實(shí)施例3：

應(yīng)用本發(fā)明提供的制備方法，通過滾軸進(jìn)行牽伸取向，制備牽伸率為20％的碳納米管膜，并且進(jìn)一步與碳纖維/聚芳炔預(yù)浸料復(fù)合，制備能同時(shí)進(jìn)行縱向和橫向應(yīng)變監(jiān)測(cè)的碳纖維/聚芳炔復(fù)合材料。具體步驟如下：

第一步，碳納米管膜的制備；

在惰性氣體的保護(hù)作用下，將乙醇、二茂鐵和噻吩的混合液以0.15ml/min的速度注入到1300℃的高溫管式爐中。惰性氣體為氬氣與氫氣(體積比為1:1)的混合物，其流量為4000sccm。在高溫管式爐的另一端形成連續(xù)的碳納米管氣凝膠，通過纏繞裝置收集碳納米管氣凝膠，纏繞裝置寬度3cm，直徑0.5m。收集后用乙醇噴灑碳納米管氣凝膠得到碳納米管膜，得到寬3cm和厚10微米的碳納米管薄膜。沿著收集裝置表面平行于軸線方向切割，形成3cm寬約3m長(zhǎng)的碳納米管條帶。

第二步，碳納米管復(fù)合預(yù)制體的制備；

將制得的碳納米管膜條帶經(jīng)過差速的三級(jí)滾軸系統(tǒng)進(jìn)行牽伸，滾軸的轉(zhuǎn)速分別為5mm/min，9mm/min，12mm/min,同時(shí)在牽伸的過程中噴灑乙醇便于碳納米管膜的牽伸，得到牽伸率為20％的碳納米管膜。

利用激光切割法把上述得到的碳納米管薄膜切割成U型齒狀，其中齒邊長(zhǎng)長(zhǎng)20mm，寬1mm，齒邊間距為0.5mm，形成一個(gè)長(zhǎng)20mm、寬8.5mm的傳感器，該器件由6段長(zhǎng)度為20mm的碳管條帶連接構(gòu)成。

選用聚芳炔/碳纖維預(yù)浸料，采用模具/隔離膜/聚芳炔預(yù)浸料/多孔四氟布/碳納米管膜/多孔四氟布/聚芳炔預(yù)浸料/隔離膜/模具的鋪疊方式進(jìn)行在60℃，7MPa下進(jìn)行熱壓，0.5h后，樹脂充分浸漬碳納米管膜，制得碳納米管膜預(yù)制體。

第三步，取向碳納米管膜/碳纖維/聚芳炔復(fù)合材料的制備；

將預(yù)浸料準(zhǔn)各向鋪層方式鋪疊制備復(fù)合材料層板，并且分別在預(yù)成型體的兩個(gè)表面沿著0°和90°方向鋪放碳納米管膜應(yīng)變傳感器預(yù)制體，其中傳感器齒邊長(zhǎng)度方向與監(jiān)測(cè)方向平行，碳納米管膜傳感器與纖維鋪層間鋪放0.05mm厚芳綸薄氈。將鋪好的預(yù)浸料在0.4MPa，110℃/3h+120℃/3h+140℃/1h+150℃/1h固化，隨爐冷卻后得到碳納米管膜/碳纖維/聚芳炔復(fù)合材料。這樣在試樣受到拉伸或壓縮時(shí)，貼附在表面上的碳納米管膜能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)試樣的縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變。

第四步，碳納米管膜/環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料的縱向和橫向向應(yīng)變監(jiān)測(cè)

將碳納米管膜應(yīng)變傳感器用導(dǎo)電銀膠與導(dǎo)電銅線連接，在100℃下固化1h后。將復(fù)合材料的電極連接到外接的直流低電阻儀，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接入端電阻的變化。在碳纖維復(fù)合材料上施加拉伸載荷，通過記錄電阻儀上電阻值的變化，可以計(jì)算出復(fù)合材料平行與垂直拉伸方向的應(yīng)變變化，其中平行拉伸方向壓阻因子可達(dá)14，垂直拉伸方向可達(dá)5.5。

實(shí)施例4：

應(yīng)用本發(fā)明提供的制備方法，通過滾軸進(jìn)行牽伸取向，制備牽伸率為20％的碳納米管膜，并且進(jìn)一步制備聚乙烯醇復(fù)合膜，可用于監(jiān)測(cè)熱塑性復(fù)合材料不同方向的應(yīng)變變化，具體步驟如下：

第一步，碳納米管膜的制備；

在惰性氣體的保護(hù)作用下，將乙醇、二茂鐵和噻吩的混合液以0.15ml/min的速度注入到1300℃的高溫管式爐中。惰性氣體為氬氣與氫氣(體積比為1:1)的混合物，其流量為4000sccm。在高溫管式爐的另一端形成連續(xù)的碳納米管氣凝膠，通過纏繞裝置收集碳納米管氣凝膠，纏繞裝置寬度3cm，直徑0.5m。收集后用乙醇噴灑碳納米管氣凝膠得到碳納米管膜，得到寬3cm和厚10微米的碳納米管薄膜。沿著收集裝置表面平行于軸線方向切割，形成3cm寬約3m長(zhǎng)的碳納米管條帶。

第二步，碳納米管復(fù)合預(yù)制體的制備；

將制得的碳納米管膜條帶經(jīng)過差速的三級(jí)滾軸系統(tǒng)進(jìn)行牽伸，滾軸的轉(zhuǎn)速分別為5mm/min，9mm/min，12mm/min,同時(shí)在牽伸的過程中噴灑乙醇便于碳納米管膜的牽伸，得到牽伸率為20％的碳納米管膜。

利用激光切割法把上述得到的碳納米管薄膜切割成U型齒狀，其中齒邊長(zhǎng)長(zhǎng)20mm，寬1mm，齒邊間距為0.5mm，形成一個(gè)長(zhǎng)20mm、寬4mm的傳感器，該器件由3段長(zhǎng)度為20mm的碳管條帶連接構(gòu)成。

制備5wt％的聚乙烯醇水溶液，將切割的碳納米管膜置于其中30min，取出后放置在平板模具上，利用真空袋壓保證碳納米管膜平整，放置于烘箱中70℃，3h促進(jìn)溶劑揮發(fā)。

第三步，取向碳納米管膜/玻璃纖維/聚丙烯復(fù)合材料的制備；

將玻璃纖維聚丙烯預(yù)浸料單向鋪層，加熱到200℃，5MPa壓力制備復(fù)合材料，采用膠粘劑將步驟二制備的碳納米管膜/聚乙烯醇傳感器黏貼于復(fù)合材料上下表面，這樣在試樣受到拉伸或壓縮時(shí)，貼附在表面上的碳納米管膜能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)試樣的縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變。

第四步，碳納米管膜/聚乙烯醇復(fù)合膜縱向和橫向向應(yīng)變監(jiān)測(cè)

將碳納米管膜應(yīng)變傳感器用導(dǎo)電銀膠與導(dǎo)電銅線連接，在100℃下固化1h后。將復(fù)合材料的電極連接到外接的直流低電阻儀，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接入端電阻的變化。在玻璃纖維復(fù)合材料上施加拉伸載荷，通過記錄電阻儀上電阻值的變化，可以計(jì)算出復(fù)合材料平行與垂直拉伸方向的應(yīng)變變化，其中平行拉伸方向壓阻因子可達(dá)4.6，垂直拉伸方向可達(dá)2.7。