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浅谈碳纳米线的拉伸应变传感特性

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《纳米技术与精密工程》2017年第6期

摘要:为开发用于三维编织复合材料原位结构健康监测的碳纳米线传感器,建立了碳纳米线应变传感实验系统,通过纵向拉伸实验,分析了碳纳米线的力学性能(应力和应变)与电性能(初始电阻和应变灵敏系数)之间的关系,并对性能参数进行了Weibull统计分析,系统研究了碳纳米线的应变传感特性。结果表明:纵向拉伸负载期间,碳纳米线相对电阻变化与应变呈现良好的线性关系;碳纳米线具有与传统应变监测相当的应变灵敏系数,适合用于监测破坏极限应变远小于碳纳米线应变(碳纳米线的破坏应变均值为10.0%,最小值为2.5%)的复合材料的损伤,是复合材料结构健康监测传感器的良好候选材料。

关键词:结构健康监测;碳纳米线传感器;三维编织复合材料;线性相关;应变灵敏系

数碳纳米管因比强度高、质量轻、热稳定性好、导电率高且易于构建传感网络等优点[1-2],已被广泛用作复合材料的填料,为智能材料及结构健康监测提供了一种新的途径[3]。基于碳纳米管开发的各种材料表现出对机械应变即压电电阻强烈的依赖性,其基本原理是碳纳米管间的隧道距离随施加的不同应变而产生变化,从而引起材料电阻率的变化,进而监测材料的应变。研究结果表明,与金属相比碳纳米管压阻应变传感器具有较高的应变灵敏系数[4]。迄今为止,碳纳米管应变传感较为成熟的研究主要集中在2个方面:一方面是用于外部监测的碳纳米管贴片器件[5-6];另一方面是碳纳米管复合材料,整个材料内碳纳米管形成了导电网络分布[7]。除上述2个较为成熟的研究领域外,近年来,研究者进行了基于碳纳米薄膜和碳纳米线应变传感器方面的研究。基于碳纳米线的研究[8-10]已经显示出其作为原位传感器用于监测连续纤维增强复合材料耐损伤和应变的潜力。在国外,利用碳纳米线进行复合材料的结构健康监测大都采用铺层或黏贴方式[11-12],未见有将碳纳米线与增强纤维共同编织对三维编织复合材料进行结构健康监测的报道;在国内,将碳纳米线用于三维编织复合材料结构健康监测的研究结果表明,作为一种新的综合和分布式技术,碳纳米线传感器应用于三维编织复合材料结构健康监测是可行的,为碳纳米线传感器的应用提供了新的研究方法和研究基础[13-15]。对于含碳纳米线的导电性复合材料,只有在负载下表现出稳定的应变电阻变化规律,才能够成为理想的传感器件。与金属不同,碳纳米线没有固定的晶体结构,其性质会因生产批次的不同而有所变化。实际上,复合材料的加工等都可能引起碳纳米线形态的改变从而影响监测响应,因此嵌入复合材料中的碳纳米线传感器观察到的监测性质可能与纯碳纳米线的有所不同。为提升碳纳米线传感器的应变传感性能,需要对制备的或者商用的碳纳米线电阻率进行统计分析,以明确拉伸负载期间对碳纳米线机电性能产生的影响。目前,对影响碳纳米线传感特性的主要参数的研究尚不多见[7-9]。为开发嵌入三维编织复合材料原位结构健康监测的碳纳米线传感器,需要研究碳纳米线的应变传感特性,因此,本文系统分析碳纳米线的机电行为、电阻变化率与应变的关系以及应变灵敏度等相关问题。

1碳纳米线应变传感机制

当承载结构受到外力发生变形时,碳纳米线应变传感器产生伸长或缩短,电阻发生相应的变化。随着拉伸应力的增加,碳纳米线电阻表现为单调增加。在机械承载作用下,碳纳米线电阻产生变化的影响因素主要有2个:一是碳纳米线产生的接触径向力使得相互临近的碳纳米管间增加了接触;另一个是碳纳米线内单根碳纳米管受到拉伸。前者显然不是电阻增大的原因,因为碳纳米线的电阻随着碳纳米管接触的增加而减小,因此,碳纳米线的电阻随着机械承载单调增加是由单个碳纳米管受压引起的[16]。碳纳米线在应力作用下电阻会发生相应的改变,这已经得到研究者的证实。

2实验部分

2.1实验材料

商用碳纳米线HQCNTs-014,采用碳纳米管阵列干法纺丝法制备,由苏州恒球石墨烯科技有限公司提供,属于多壁碳纳米管纱线。

2.2试件制备

为保证碳纳米线处于直线状态,制备12.5mm×25.4mm的矩形纸板,将铜极板黏贴到纸板的两端;然后,将切割的单根碳纳米线放置在纸板的中心轴线处;最后,将纱线末端部分黏贴到纸板上,并且使用银胶将其黏合到铜极板上,以增加纱线与铜的接触面积来降低接触电阻,将铜导线与铜极板焊接,并使用绝缘电胶带将试样的两端进行黏贴。

2.3性能测试

实验采用日本岛津公司的伺服液压电子拉力机AG-250KNE型万能材料实验机记录拉力和位移数据,采用50mm的伸缩仪记录试件的应变数据,用电阻应变仪记录机械加载期间碳纳米线的原位电阻数据。电缆外加10V直流电压与试件的碳纳米线连接导线相连。在纵向应变方向上,在2点测量装置上执行电阻测量。拉伸速度为标距长度的5%,碳纳米线在单调加载拉伸直至断裂的模式下进行测试。实验在常温下进行。

3结果与讨论

对碳纳米线试样进行拉伸实验,收集负载、电阻和应变的实时数据,计算应力进行归一化处理。

3.1应力与应变行为

图1示出碳纳米线单调拉伸实验应力与应变的典型曲线。可看出,碳纳米线的应力与应变保持高达约1%的线性行为,当拉伸应变超过2%时,应力与应变的斜率显著下降,即纱线表现出软化行为。Jung等[17]在研究中也观察到在拉伸测试期间碳纳米线的2阶段行为:第1阶段弹性区域归因于伸长和矫直;第2阶段归因于碳纳米管的滑移。此外,Liu等[18]在分子动力学研究中已经预测了碳纳米线拉伸过程中力学行为,在拉伸负载期间扭转的碳纳米线的应力与应变行为通过2个阶段进行描述:在第1阶段高达2%的应变,碳纳米线最初经受拉伸和解捻,导致应变随应力逐渐增加;在第2阶段中,应力表现出对拉伸负载响应的振荡现象,这种行为归因于弱范德华力相互作用的结果以及碳纳米管的滑移现象。综上所述,碳纳米线的应力与应变行为表现出屈服行为和显著的水平延展性,其原因主要是:在一定的拉伸应力下,碳纳米线存在一定拉伸变形、解捻和直径减小等情况;在较高的应力(3%的应变以上)下,碳纳米线的进一步扭转可导致纱线的碳纳米管层内的分离或分裂;在更大的应力下,碳纳米线可能产生局部破坏。这些非灾难性失效模式导致应力与应变的屈服行为及显著水平的延展性。

3.2电阻与应变行为

碳纳米线拉伸实验结果的典型应变与相对电阻变化率ΔR/R0关系。可看出,在弹性区间内,应变与电阻变化率具有很好的线性关系。在初始负载时,电阻开始增加前应变立即增加,而电阻增加存在约0.5%的应变滞后,这主要归因于负载初期碳纳米线的几何形状(如直径和螺旋角)在0.5%应变以下的不显著变化,或者是电阻的相对变化太小而受仪器的灵敏度限制,使得不能测量出电阻变化值。即使机械行为表现出一定的软化导致第2阶段的应力与应变曲线斜率减小,但碳纳米线电阻变化率与应变的线性关系不受影响,具有大应变下的高度线性行为。这是由于碳纳米线中碳纳米管间接触面积较大,即使在大应变下碳纳米管之间的范德华力仍然可使其保持接触而不影响总的电流路径,但随着碳纳米管受压的增加纱线电阻逐渐增大。Zhao等[16]也发表了类似的研究结论,这表明碳纳米线的电阻变化与应变的线性关系可保持在较大的变形下。碳纳米线电阻随应变线性增大的行为也可归因于在拉伸负载期间纱线几何形状的变化,如长度的增加。如前所述,拉伸负载可引起碳纳米线几何形状的变化,如解捻、拉伸、滑移和直径减小等,纱线直径的减小和线束的解捻,也意味着碳纳米管发生了相对滑移变形,这种相对滑移减少了碳纳米管束之间的接触,从而增加了纱线电阻,直至碳纳米管束完全彼此分离。这些结果表明,碳纳米线在拉伸负载下表现出永久变形,即纱线的实际长度随施加的应力而增大,导致所测电阻值的增加。此外,测量了在自由负载下不同纱线长度之间的电阻,结果如图3所示。可知,电阻随纱线长度增加而线性增大,呈现出很好的线性关系,其斜率为1.068Ω/mm,证实了纱线在不同长度下具有恒定的电阻率,这也保证了碳纳米线可作为基于压阻效应的应变传感器。

4结论

1)通过碳纳米线静态拉伸负载下的应变传感实验研究发现:碳纳米线的力学性能表现出高于应变水平2%的软化行为;与力学性能相反,在弹性区间内碳纳米线的电阻变化与应变表现出良好的线性行为;此外,电阻的变化与纱线的瞬时长度成线性比例,并且与负载水平无关:因此,碳纳米线可用作压阻效应应变传感器。2)通过碳纳米线力学性能(应力和应变)和电性能(初始电阻和应变灵敏系数)的统计分析发现,碳纳米线传感器非常适合于监测破坏极限应变远小于其应变(碳纳米线的破坏应变均值10.0%,最小值为2.5%)的复合材料的损伤。碳纳米线的初始电阻在28.02~50.20Ω之间,虽然其初始电阻具有较大范围的分布,但电阻变化与应变保持较高的线性相关性,作为压阻效应应变传感器使用时可通过电阻变化率来监测应变;此外,碳纳米线传感器具有与传统应变监测相当的应变灵敏系数:因此,碳纳米线传感器用于复合材料结构健康监测技术具有潜在的应用前景。

作者:贾树生1,2;万振凯1;杨连贺1;张恒杰2 单位:1.天津工业大学纺织学院,2.石家庄职业技术学院

纳米技术与精密工程杂志责任编辑:张雨    阅读:人次
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