碳纳米管应变传感器技术的优化与应用研究

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1、第一章绪论[63]L.Liu等在玻璃纤维上附着了一层碳纳米管/环氧树脂薄膜，利用拉曼光谱法和电测法检测了附着的碳纳米管材料对应变的传感能力。发现复合材料和玻璃界面有良好的应力传递性能，且在相同应变下，碳纳米管含量越多玻璃纤维越易破碎。碳纳米管应变传感性能等关键技术的研究[64]-[74]碳纳米管/聚合物的传感性能是近年来相关工作的研究热点之一。L.[75]Bokobza研究了碳纳米管/橡胶复合材料，实验发现在拉伸载荷下的拉曼光谱G’峰拉曼频移很不明显，认为是因为橡胶与碳纳米管之间较差的界面结合力导致[76]的。C.Mercader研究了有残余应力的聚合物中碳纳

2、米管在应变下的拉曼频移变化，发现残余应力会使碳纳米管在相同应变作用下拉曼频移变化降低。P.[77]Nikolaev引入“线性粘附损失”计算模型，成功的模拟出不同应变下的碳纳米-管拉曼光谱G特征峰，并指出当碳纳米管与酚醛树脂脱粘后，由于基体和碳纳[78]米管的摩擦力作用导致其应变保持不变。J.Ma等利用动态光散射技术、汉森溶解度参数和拉曼光谱技术比较了未经处理的，酸化处理的和胺功能化的单壁碳纳米管/聚碳酸酯、聚偏二氟乙烯、环氧树脂的化学相容性、分散性和应变传递，发现经硝酸改性的碳纳米管结合环氧树脂基体的应变传递效率最高-1[79](-13cm/%)。P.C.Ma

3、等发现对于碳纳米管/环氧树脂材料，功能化的碳纳米管在拉伸载荷作用下其G’峰拉曼频移明显增大，因此其界面传递效率高，但是不同官能团功能化的碳纳米管在拉伸载荷下的拉曼频移有很大差别。然而，碳纳米管应变传感器结合拉曼应变花技术成为一种实验力学方法仍有许多工作要做。例如：碳纳米管/聚合物薄膜作为应变传感器需进行的参数定义和标定等仪器化工作；碳纳米管与聚合物基体界面的传感性能的研究与评价；碳纳米管变传感器制备工艺的优选、多样化与标准化等。1.4本文工作本文面向基于拉曼光谱的微尺度应变传感测量，以作为应变传感介质的碳纳米管薄膜为研究对象，首先定义了其应变传感的几项关键性能

4、指标，并提出优化参数的途径。然后，通过对其制备工艺的优选、优化并对其进行标定实验，分析了碳纳米管与环氧树脂界面的传感性能，研究了不同制备工艺对其传感性能的影响。在应用方面，利用标定好的碳纳米管/环氧树脂薄膜成功测量了裂纹尖端的应变场。具体安排如下：4第一章绪论第一章围绕本文工作的背景与意义，分别对基于应变效应和基于拉曼光谱技术两种方法的碳纳米管的应变传感的研究背景和研究现状进行了论述，确立了本文工作的目标和意义。第二章首先介绍碳纳米管应变传感理论，包括：碳纳米管平面应变分量与拉曼频移的关系，拉曼系统偏振构型的选择以及拉曼应变花技术。然后，针对双偏协同控制，优化

5、了传统的偏振控制方式。最后，定义了碳纳米管应变传感器的参数，并提出了参数优化的途径。第三章首先研究了碳纳米管/环氧树脂薄膜的制备工艺，包括：碳纳米管的选择、聚合物粘胶剂的选择，碳纳米管的纯化、表面改性和分散技术和复合材料的制备工艺的选择。然后，经过对制备工艺进行改进和优化，提出了三种不同的制备工艺，并详细介绍了其制备流程。第四章对制备出的碳纳米管薄膜进行标定实验，包括零载荷标定实验，步进载荷标定实验，通过标定实验分析了包括灵敏度、量程、稳定性和时间分辨率等核心的传感性能；选择传感性能较好的应变传感薄膜开展了裂纹尖端的应变场测量。第五章对本文工作进行了归纳总结，

6、并对下一步的工作进行了展望。5第二章碳纳米管应变传感的基础理论与传感性能第二章碳纳米管应变传感的基础理论与传感性能本章首先介绍了基于拉曼光谱技术的碳纳米管应变方法，然后对拉曼偏振控制技术进行了改进和优化，实现了双偏协同控制，最后对碳纳米管应变传感器的各项参数进行了定义，讨论了各自的影响机制，并提出改进方法。2.1碳纳米管应变传感测量理论将内部包含大量指向随机碳纳米管的复合材料薄膜作为应变传感器，粘附于被测物表面与其共同变形，利用显微拉曼系统采集薄膜的偏振拉曼信息。由于碳纳米管的拉曼频移与其轴向应变成正比，又根据平面变形的应变关系，得出轴向[52]为θ的单根碳纳

7、米管的拉曼频移与其平面应变的关系，如式(2-1)：22SensorXcosYsinXYcossin(2-1)其中，Δω表示单根碳纳米管变形前后的频移增量；εX、εY和γXY分别表示平面变形中两个正应变分量和一个剪应变分量；ΨSensor表示作为应变传感器的碳纳米管[53]薄膜的拉曼频移对于应变的敏感程度，称为应变-频移系数。显微拉曼系统所采集到的光谱信息是采样点内所有碳纳米管散射信息总和[53]。根据拉曼光谱谱线的函数特征（Gauss或Lorenz型），建立单根碳纳米管拉[52]曼特征峰与总体光谱拉曼特征峰之间的解析关系，

8、如式(2-2)。2Rd