高性能碳纳米管聚合物复合材料的拉伸行为与应变传感机制研究

Carbon nanotube (CNT) has excellent piezoresistance effect with sensitivity of over several hundred times compared with normal strain sensor. Reinforced by CNT, polymer can obtain both high mechanical property and strain sensing property, which is very promising in the field of precise instrument and aerospace as well. However, CNT polymer composites made by traditional mixing methods often have a low CNT content, which hinders the full usage of the sensing performance of CNTs. In this study, polymer-matrix composites with a high CNT content, high degree of orientation and uniform structure are achieved by adopting a novel spray while winding method. Based on theory of permeability of porous materials, the infiltration behaviour of polymer with different solution concentration into the CNT membrane is investigated. The nanoscale permeability theory of CNT membrane is revealed to realize controllable manufacture of CNT composites. With modified Shear-lag model, stress transfer in the composites is analyzed to explore the relationship between the interface and tensile properties. Furthermore, the key factors for composites resistance change are distinguished and the inner relationship between microstructure and resistant change is investigated. By understanding the CNT composites strain sensing mechanism, high performance CNT composites with high electrical conductivity and high sensibility will be achieved.

碳纳米管具有卓越的压阻效应，其灵敏度超过常用应变传感器的几百倍,与聚合物复合后兼具结构增强和应变传感特性，在精密仪器和航空航天等重要领域极具应用潜力。然而传统分散混合方法制备的碳纳米管复合材料碳管含量低，限制了其力学和应变传感性能的充分发挥。本项目拟采用申请者探索的卷绕喷洒工艺制备碳管含量高、取向可控且结构均匀的应变传感高聚物复合材料。通过多孔材料渗透性理论考察喷洒溶液浓度对碳纳米管薄膜的渗透行为的影响，揭示碳管薄膜纳米尺度渗透机理，实现对碳管复合材料的可控制备；采用剪切滞后模型理论，分析聚合物与碳纳米管之间的界面应力传递效果，掌握复合材料界面作用对其拉伸性能的影响规律；研究碳纳米管含量与取向程度对传感器应变特性的影响，揭示拉伸应变过程中碳管复合材料微观结构变化与电阻变化的内在联系，明确碳纳米管复合材料应变传感机制。开发具备高导电性和高传感系数的高性能碳纳米管复合材料。

碳纳米管具有卓越的压阻效应，其灵敏度超过常用应变传感器的几百倍,与聚合物复合后兼具结构增强和应变传感特性，在精密仪器和航空航天等重要领域极具应用潜力。然而传统分散混合方法制备的碳纳米管复合材料碳管含量低，限制了其力学和应变传感性能的充分发挥。. 本项目采用卷绕喷洒工艺制备碳管含量高、取向可控且结构均匀的应变传感高聚物复合材料。首先通过多孔材料渗透性理论考察喷洒溶液浓度对碳纳米管薄膜的渗透行为的影响，揭示碳管薄膜纳米尺度渗透机理。聚合物树脂对碳纳米管薄膜的渗透性与溶液浓度以及碳纳米管薄膜孔隙率和孔径大小有关。直径范围为8-10 nm的碳纳米管薄膜孔隙率高，孔径大小为300-600 nm碳纳米管薄膜对低溶液浓度树脂溶液渗透性最好，在此条件下制备的质量分数为50-60wt.%的碳纳米管复合材料最高拉伸强度可达2GPa，拉伸模量达95GPa。实现了复合材料中碳纳米管的多角度排列，碳纳米管质量分数的可控制备。其次，采用剪切滞后模型理论分析聚合物与碳纳米管之间的界面应力传递效果。将碳纳米管纱线埋入聚合物树脂中，利用单纱包埋拉伸破坏实验方法研究碳纳米管与聚合物树脂之间的界面作用力，建立相关力学模型，推算出碳纳米管与聚合物之间平均界面剪切强度为23.3MPa，掌握了复合材料界面作用对其拉伸性能的影响规律。最后，研究碳纳米管含量与取向程度对传感器应变特性的影响，揭示拉伸应变过程中碳管复合材料微观结构变化与电阻变化的内在联系。当碳纳米管铺层角为30°时其复合材料在小应变下的应变传感性能最佳，目前可获得传感系数达6.3的碳纳米管聚合物复合材料。. 聚合物溶液对碳纳米管集合体的渗透性研究成果对于不同聚合物基碳纳米管复合材料的制备具有普遍的指导意义；而碳纳米管复合材料界面应力传递模型及其应变传感机制对于碳纳米管在复合材料功能化及智能化领域的应用具有重要的借鉴意义。该项目研究成果可应用于高性能及多功能航空航天以及精密仪器设备的开发。