基于碳納米管-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的應(yīng)變傳感器研究.pdf

1、碳納米管復(fù)合材料的電阻隨外部應(yīng)變而變化，利用復(fù)合材料的壓阻特性可以制作應(yīng)變傳感器。盡管許多研究者已經(jīng)研究了碳納米管聚合物復(fù)合材料在直流條件下的介電行為，但這種材料在交流條件下的導(dǎo)電機(jī)理仍不清楚。
　　本研究采用多種混合方式結(jié)合的方法制備了多壁碳納米管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了簡(jiǎn)單的研究，并開發(fā)了一套復(fù)合材料-電極一體化成型工藝，制作了高靈敏度的應(yīng)變傳感器，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試和理論分析研究了直流和交流條件下復(fù)合材料的導(dǎo)

2、電和壓阻特性。
　　首先，本研究使用行星攪拌儀和超聲分散器相結(jié)合攪拌的方法制備了分散良好的碳納米管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。使用自制精密拉伸實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)復(fù)合材料的力-電性能進(jìn)行探究，結(jié)果表明隨著碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，碳納米管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的楊氏模量先增大后降低。當(dāng)碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)電行為與非導(dǎo)電材料相似，但當(dāng)復(fù)合材料碳納米管含量大于特定值時(shí)，復(fù)合材料變得導(dǎo)電。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合材料的導(dǎo)電滲流閾值為0.3％。復(fù)合材料的

3、導(dǎo)電性能可歸因于兩種機(jī)理：（1）碳納米管在基體中形成完整的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，（2）碳納米管之間的“隧道效應(yīng)”。
　　第二，本研究開發(fā)了一種復(fù)合材料-電極一體化成型新工藝，使復(fù)合材料薄膜與電極良好連接，傳感器的制作效率顯著提高，性能更加穩(wěn)定。在本研究中，測(cè)試了新型復(fù)合材料應(yīng)變傳感器的直流特性，其中，碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的應(yīng)變片的靈敏系數(shù)能夠達(dá)到120以上，比普通箔式應(yīng)變片的靈敏系數(shù)大24倍，此外，研究還表明復(fù)合材料傳感器在碳納米管含量

4、較低時(shí)對(duì)應(yīng)變非常敏感。
　　第三，本研究還探究了復(fù)合材料傳感器的交流電介質(zhì)行為。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，交流電流的頻率不影響傳感器的損耗角正切，但隨著應(yīng)變的增長(zhǎng)，損耗角正切的變化率逐漸增大。在相同應(yīng)變水平下，復(fù)合材料中的碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，損耗角正切的變化率越大。這種現(xiàn)象可以用等效電容-電阻并聯(lián)電路模型解釋。在交流條件下，損耗角正切的變化率和等效電阻的變化率對(duì)應(yīng)變都有很高的靈敏度及穩(wěn)定度，可以檢測(cè)到非常微小的應(yīng)變，利用交流測(cè)量方法，可以使