功能化碳纳米纸/聚合物复合材料的压阻传感特性及机理

Buckypaper and its composite materials have a prosperous application in the fields of aerospace, transportation and shipping industry, due to their unique piezoresistive sensing properties which can be used for composites health monitoring. In fact, the performance analysis and microstructure evolution mechanism in coupling fields is one of the focus researches for functional material. This topic is an interdisciplinary issue which involves mechanics and material science. Under the mechanical-thermal cyclic loading, the microstructure of material will be changed, thereby affecting the sensing characteristics. In present work, the buckypaper/polymer composites will be investigated by theoretical, finite element simulation and experimental methods. A general piezoresistive sensing model for buckypaper/polymer composites will be proposed. The mesomechanical finite element model will be built and parametric simulated to reveal the relationship between piezoresistive sensing properties and microstructure. The new test platforms will be constructed to expand the experimental characterization method for buckypaper/polymer composites subjected to multi-field coupling cyclic loading. We expect to gain original achievements which can provide the technique and theoretical guidance for the application of buckypaper and its composites in practice.

鉴于碳纳米纸及其复合材料优异的压阻传感特性，可用于复合材料的在线健康监测，未来在航空航天、轨道交通、船舶工业等领域具有广阔的应用前景，其在多场耦合作用下的性能分析与演化机理是功能材料领域研究的热点和难点，研究内容涉及到力学和材料学等多学科的交叉。力-热循环载荷作用下微观结构的变化，会影响到其传感特性。本项目将以碳纳米纸/聚合物复合材料为研究对象，通过理论分析、有限元模拟和实验表征等方法，发展碳纳米纸/聚合物复合材料的压阻传感理论模型；建立碳纳米纸/聚合物复合材料的细观有限元模型，通过参数化仿真分析，揭示压阻传感特性和微观结构之间的关联机制；搭建新的实验测试平台，发展多场耦合循环载荷下，碳纳米纸/聚合物复合材料的实验表征方法。期望本项目获得原创性成果，为碳纳米纸及其复合材料的工程应用提供理论和技术指导。

碳纳米纸及复合材料以其优异的压阻传感特性，可用于复合材料的在线健康监测，未来在航空航天、轨道交通、船舶工业等领域都具有广阔的应用前景，其在多场耦合作用下的性能分析与演化机理是功能材料领域研究的热点和难点，研究内容涉及到力学和材料学等多学科的交叉，力-热循环载荷作用下引起其微观结构的变化，会影响到其传感特性。本项目以碳纳米纸/聚合物复合材料为研究对象，通过理论分析、有限元模拟和实验表征等方法，基于宏观渗流理论与微观隧道效应，构建了碳纳米纸/聚合物复合材料的导电理论模型；通过编制python程序，实现了碳纳米管在三维空间中随机均匀分布的碳纳米纸/聚合物复合材料的代表体单元模型的参数化建立与分析；基于实验室搭建的力-热耦合场循环载荷作用下碳纳米纸/聚合物复合材料应变与电阻的测试平台，开展了不同恒定温度及变温条件下，应变循环加卸载时的电阻测试；经过分析实验测试结果，建立了电阻变化与应变的对应关系，并拟合得到传感器压阻传感系数，为认识功能性纳米材料的传感机理提供了宝贵的实验依据。课题通过交叉融合力学、材料学知识，得到了一系列的理论成果和实验技术及规范，必将为碳纳米纸/聚合物复合材料等多功能纳米材料在航空航天领域的工程应用提供理论和技术指导。