喷射吸滤成型法制备碳纳米纸及其应变∕温度传感特性

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaSep．252015V01．36No．93187—3194ISSN1000--E；893ON11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．013hkxb@buaa．edu．crl喷射吸滤成型法制备碳纳米纸及其应变／温度传感特性卢少微1’2一，冯春林3，聂鹏3，王晓强2，熊需海2，吕伟21．沈阳航空航天大学辽宁省通用航空重点实验室，沈阳1101362．沈阳航空航天大学航空航天工程学部，沈阳1101363．沈阳航空航

2、天大学机电工程学院，沈阳110136摘要：碳纳米纸可作为应变传感器监测结构应变损伤，同时还可作为温度传感器监测环境温度变化。将多壁碳纳米管单分散后，采用喷射吸滤法制备碳纳米纸，利用场发射扫描电子显微镜和氮气吸附法表征碳纳米纸微观形貌及平均孔径。碳纳米纸的应变传感和温度传感实验表明碳纳米纸对应变灵敏度较高，灵敏度系数分别为10．21(0～39000“￡)和524．79(39000～55000肛￡)；碳纳米纸经退火处理后，升温过程电阻温度系数分别为一6．57％／℃(20～100℃)和一3．25％／。C(10

3、0～200℃)，降温过程电阻温度系数分别为～5．79％／℃(20～100。C)和一2．88％／。C(100～200。C)，具有较好的温度传感可逆性和重复性。关键词：碳纳米管；喷射吸滤；碳纳米纸；应变监测；温度监测中图分类号：V218；TB33文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)09—3187—08碳纳米管因其出色的机械性能、电学性能、热学性能，一直被视为传统智能材料的替代品口’6]。碳纳米管发生形变时，其电性能也会改变，因此可作为应变传感器使用[7]。碳纳米管直接分散到聚合物基体内，通

4、过测量聚合物变形时碳纳米管网络结构的电阻，实现对聚合物基体的健康监测[8。12

5、。微损伤在基体间扩展会导致碳纳米管导电路径断裂，电阻增大，但应变一电阻关系曲线的线性度不高一]。Njuguna等口21制备了两种碳纳米管应变传感器，分别是碳纳米管与环氧树脂混合和碳纳米管与环氧树脂混合膜夹层于树脂层，含量为2％～3％的碳纳米管纳米复合材料传感器对机械应变具有非常好的传感特性，其应变系数可达5～8。上述方法普遍存在如何在聚合物基体内均匀分散碳纳米管的技术问题，因为聚合物基体内碳纳米管含量较高时具有较强的自团聚趋

6、势，但含量较低(1％)时，虽然大于渗透阀值，但碳纳米管的传导网络的电导率并不高，影响了碳纳米管网络的电导性。要使碳纳米管网络具有高导电性，通常需要在黏性聚合物基体内添加3％左右的碳纳米管，然而基体黏度的增加会影响其成型工艺[13-14]。为解决上述技术问题，国内外学者提到了碳纳米纸作为传感器的概念。碳纳米纸是依靠碳纳米管与碳纳米管之间的范德华力相互交错搭接而成的三维网状互联结构薄膜。碳纳米纸传统的制收稿日期：2014—09·II；退修日期：2014．10·08；录用日期：2014．10—30；网络出版时

7、间：2014—11—1922：08网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／10．7527／$1000—689320140307．htmI基金项目：国防十二五基础科研项目(A352001106)；航空科学基金(2013ZA54012)；辽宁省教育厅项目(L2013074)*通讯作者．Tel．：024-89723963E．mail：shaowei9132@sina．corn引愚謦武ILuSw，FengcL，NieP．etal．FabricationofcarbonnanotubeBuc

8、kypaperbyspray-vacuumfiltrationmethodanditsstrainandtemperaturesensingpropertiesLJJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2015．36t9)：3187-3194．卢少被．冯春棒．聂鹅．等．喷射吸滤成型法钢备碳纳米纸及其应变／温度传感特性!J-j航空学报．2015．36(9)：3187-3194卢少微等：喷射吸滤成型法制备碳纳米纸及其应变／温度传感特性范围为40、60、90、120、20

9、0℃，其中20～200℃范围的温测过程中进行10次升降温循环处理。通过光栅传感器监测温度变化，利用四探针电阻测量仪对电阻进行同步测量，采样频率为0．5S～。图2拉伸／温度测试样件及光纤布拉格光栅传感器Fig．2Tensile／temperaturetestspecimensandFBGSensor1．3测试与表征利用场发射扫描电子显微镜(Field—EmissionScanningElectronMicroscope，FE-SEM，Hita