CN110906858B - 一种无纺复合材料、结构应变传感器、分布式监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无纺复合材料、结构应变传感器、分布式监测系统及方法，包括：制备碳纳米管浆料；通过一步浸润方式将感应粒子沉积于高孔隙率无纺布表面以获取具有压阻特性的无纺感应层；上述加工好的感应层与树脂进行复合，固化为贴片式应变传感器；在单个传感器布置单组或多组电极以获取不同方向的电阻信号进而对结构的各向应变实现感应；针对一个整体结构可在其关键部位贴敷一系列上述传感器形成一个分布式全覆盖监测网络。本发明制备的应变传感器具有优良的可扩展性与形变协调性，且表面贴附度高，可对大型结构的关键部位实现全覆盖，敏感度高，实时响应迅速。基于传感器上的电极阵列分布，可对感应面积下的各向应变进行有效监测。

Description

一种无纺复合材料、结构应变传感器、分布式监测系统及方法

技术领域

本发明涉及应变传感器技术领域，尤其涉及一种无纺复合材料、结构应变传感器、分布式监测系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

应变传感器是将被监测受力结构(件)变形所产生的应变转换为电信号的传感器件。目前普遍使用的应变传感器是电阻式应变片，其将被监测结构件上的应变的变化转换为电阻变化的传感元件。传统应变片采用单一金属以及半导体丝线为原料，在塑料衬底上缠绕布局制得；其为点式传感器，感应面积极小，应变感应方向单一，环境耐受度低，工作寿命短。

随着我国的交通基础设施，如桥梁，高速铁路桥隧等，逐步完成初始10-20年的服役期，为了维护一个安全有效的交通基础设施网络，对现有的关键设施进行必要的结构安全监测，诊断及维护势在必行。大型土木结构的应变监测对应变传感器有了更高的要求，即可扩展的感应面积、多向应变的感应能力、高稳定性、优异的环境适应性及耐久度。因此，开发高性能应变传感器具有重大意义和应用前景。

目前的大面积可扩展性应变传感器主要以广泛的导电网络为传感介质。如中国专利申请第CN201611230481.0号，所揭示的一种碳纳米管薄膜应变感应材料，其由高密度的碳纳米管薄膜构成，具有优良的可扩展性，能够形成一定面积的全包覆感应区。但这种感应材料造价高，不具有机械刚度，必须以夹层形式内嵌于结构部件内部，实际使用性较低。又如中国专利申请第CN201910071918.8号，所揭示的一种基于应变传感器阵列的大面积应变传感器，其由网格化的点式应变传感器串/并联构成，可覆盖一定面积进行应变监测。但这种阵列式传感器，加工工艺繁琐，内部导通结构复杂，成本高昂，不适用于大型的土木结构。

因此，针对目前可扩展性应变传感器存在的技术瓶颈和对于大型土木结构进行结构监测的迫切需求，实有必要提出一种高性能大面积应变传感器和与之匹配的分布式结构应变监测方法。

发明内容

本发明目的是针对当前应变传感器及结构应变监测的技术不足，提出了一种无纺复合材料、结构应变传感器、分布式监测系统及方法，能够对大型结构的关键部位实现全覆盖检测，敏感度高，实时响应迅速；基于传感器上的电极阵列分布，可对感应面积下的各向应变进行有效监测。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种无纺复合材料，包括：无纺布，在所述无纺布的表面沉积纳米导电颗粒，形成连续的导电涂层。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种结构应变传感器，包括：对上述的无纺复合材料导入树脂，在设定的大气压下固化，形成基于无纺复合材料的压阻感应贴片；在所述压阻感应贴片按照设定的方向布置电极，所述电极通过导线接入外电路，得到结构应变传感器。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种分布式监测系统，包括：分别将上述的结构应变传感器贴附在待测受力结构的设定位置，形成对待测受力结构的分布式全覆盖应变监测网。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种无纺复合材料的制备方法，包括：

在设定的温度环境下，制备纳米导电颗粒的水基浆料；

将裁剪好的无纺布浸润到所述水基浆料中；

设定时间后，取出移至设定的温度环境下进行干燥处理；

得到具备纳米导电颗粒感应涂层的无纺复合材料。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种分布式全覆盖结构应变监测方法，包括：

确定并标记被监测受力结构的关键部位；

制作上述的结构应变传感器，分别贴附在所述的关键部位；

根据监测到的结构应变传感器的电阻变化量确定相应位置的应变量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明制备的基于碳纳米管压阻网络的无纺复合贴片传感器，所含的纳米管量少于1.5％，导电率介于1.0-5.5S/m，厚度低于1mm，利用高孔隙率的无纺布料作为碳纳米感应粒子的分散基底材料，使此复合贴片传感器具有宏观均一的电学性质且具有极好的可扩展性与贴附性。

(2)本发明基于传感器上的电极阵列分布，可对感应面积下的各向应变进行有效监测，具有压阻反应直接，电阻变化响应迅速，针对大型交通与民用建筑结构，如桥梁、隧道与高层建筑的应用操作性高。

(3)本发明制备的复合贴片传感器能通过调节碳纳米管含量，即在浸润过程中所使用的碳纳米管浆料的浓度，来改变传感器的应变敏感系数，可达到5。

(4)本发明制备的复合贴片传感器能通过调节无纺布料的单位重量及树脂基材，来改变传感器的应变监测范围，线弹性应变区间可达到4％。

(5)本发明的复合贴片传感器的制备方法，工艺简单，成本低廉，环境友好，能耗低，应用前景好。

(6)本发明制备的应变传感器具有优良的可扩展性与形变协调性，且表面贴附度高，可对大型结构的关键部位实现全覆盖，敏感度高，实时响应迅速。

附图说明

图1是本发明实施例一中所选取的无纺短纤维布料光学显微图；

图2是本发明实施例一中所制备的具有碳纳米管涂层的无纺感应布料电子显微图；

图3是本发明实施例一中所制备的基于碳纳米管涂层的微结构导电层电子显微图；

图4是本发明实施例一中碳纳米管无纺复合贴片的应变感应机理的示意图；

图5是本发明实施例一中碳纳米管无纺复合贴片应变传感器(其具有横纵两对电极)；

图6是本发明实施例一中所制备的复合贴片传感器的实时拉伸率与电阻变化率的示意图；

图7是本发明实施例一中所制备的复合贴片传感器针对横/纵应变的电阻变化率的示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

在一个或多个实施方式中，公开了一种无纺复合材料，包括：无纺布，在所述无纺布的表面沉积纳米导电颗粒，形成连续且广泛的导电涂层。

具体地，无纺布料组成纤维主要为芳纶，也可以是聚酯，涤纶，尼龙纤维或类似物，布料厚度为0.1～1.0mm。

无纺布料选用湿法非织造轻薄型布，优选为芳纶短纤维无纺布，纤维长度为10-30mm，布料重量为10-50g/m2，布料空隙率大于85％，参照图1。

布料纤维表面所沉积的由纳米颗粒组成的导电层，纳米颗粒主要为碳纳米管，也可以是石墨，石墨烯，氧化石墨烯，银，铜纳米颗粒(片)或类似导电颗粒，此布料所含的纳米颗粒(片)重量比率为0.1～10％，参照图2和图3。

本实施例中，在无纺布的表面沉积纳米导电颗粒的具体实现过程为：

(1)在室温条件下，制备碳纳米管的水基浆料；

(2)将裁剪好的芳纶短纤维无纺布浸润在碳纳米管浆料中，充分浸润15分钟，水平移至恒温烤箱在160℃下干燥处理，制得即得具有碳纳米管感应涂层的无纺复合布料。

具体地，碳纳米管浆料由工业级多壁碳纳米管粉末，十二烷基苯磺酸钠表面活性剂，三硅氧烷表面活性剂，水，四部分混合而成，具体含量分别为1-3％，2-6％，1-3％和88-94％。

配置步骤为：将初步混合料先填入离心式混合器，以2000转/秒的速度，混合搅拌三分钟，再转送至超声波震荡机中，加载声波震荡15分钟，以获取均匀的纳米浆料。

当然，本实施例中公开的碳纳米管浆料的具体含量仅是示例性的，本领域技术人员可以根据需要进行调整；可以通过调节碳纳米管的含量，即在浸润过程中所使用的碳纳米管浆料的浓度，来改变传感器的应变敏感系数。

实施例二

在一个或多个实施方式中，公开了一种结构应变传感器，包括：将实施例一中所述的无纺复合材料导入树脂，在设定的大气压下固化，形成基于无纺复合材料的压阻感应贴片；在所述压阻感应贴片按照设定的方向布置电极，所述电极通过导线接入外电路，得到结构应变传感器。

具体地，将实施例一中的具有碳纳米管感应涂层的无纺复合布料平铺于真空辅助树脂传递模塑装置中，导入树脂，在一个标准大气压下固化，形成基于纳米改性无纺复合布料的压阻感应贴片。

在单个感应贴片上布置单组电极或两组垂直电极，将铜丝与电极用导电银胶粘接，接入外电路，记录实时电阻值，计算出应变的实时变化，其中电极方向即可表示为所监测应变方向，即得到可感应多向应变的贴片传感器。

在上述应变贴片传感器中，导电网络基于无纺布料表面的碳纳米管涂层，此涂层具有良好的韧性和导电性，且具有基于碳纳米管截断效应的应变感应机理。在外界应变的作用下，无纺布料基地的拉伸(或收缩)使纳米涂层内减少(或增加)纳米重叠区域与电连接，导致整体传感器电阻的增加(或减少)，即形成一个广泛的压阻感应网络，参照图4。

本实施例中，树脂体系是指聚乙烯，聚乙烯醇，环氧树脂，双马树脂，聚芳基乙炔树脂和聚酰亚胺中的任意一种。

监测到的传感器的各方向的电阻值的变化量(即实时电阻值减去初始电阻值)除以该复合贴片的相应方向的应变敏感系数即可得到相应方向的应变量。

需要说明的是，可以通过调节无纺布料的单位重量及树脂基材，来改变传感器的应变监测范围，线弹性应变区间可达到4％。

本领域技术人员可以根据需要选取不同的参数取值，下面给出了几种应变贴片传感器的具体制作过程的实例。

实例1

采用芳纶短纤维无纺布料(25g/m²)为碳纳米管导电粒子的分散基底材料；配置含有碳纳米管重量比为2％的水基浆料(其中所用纳米浆料由工业级多壁碳纳米管粉末，十二烷基苯磺酸钠表面活性剂，三硅氧烷表面活性剂，水，四部分混合而成，具体含量为2.0％，4％，1.0％和93％)；浸润过程为15分钟；干燥及复合成型之后，制得应变感应无纺复合贴片；放置电极材料，接入监测电路网络，形成分布式复合贴片应变传感器。

实例2

采用聚酯短纤维无纺布料(15g/m²)为碳纳米管导电粒子的分散基底材料；配置含有碳纳米管重量比为3.5％的水基浆料(其中所用纳米浆料由工业级多壁碳纳米管粉末，十二烷基苯磺酸钠表面活性剂，三硅氧烷表面活性剂，水，四部分混合而成，具体含量为3.5％，3.5％，2.0％和91％)；浸润过程为20分钟；干燥及复合成型之后，制得应变感应无纺复合贴片；放置电极材料，接入监测电路网络，形成分布式复合贴片应变传感器。

实例3

采用芳纶短纤维无纺布料(50g/m²)为碳纳米管导电粒子的分散基底材料；配置含有碳纳米管重量比为1.0％的水基浆料(其中所用纳米浆料由工业级多壁碳纳米管粉末，十二烷基苯磺酸钠表面活性剂，三硅氧烷表面活性剂，水，四部分混合而成，具体含量为1.0％，2.0％，1.0％和96％)；浸润过程为20分钟；干燥及复合成型之后，制得应变感应无纺复合贴片；放置电极材料，接入监测电路网络，形成分布式复合贴片应变传感器。

实施例三

在一个或多个实施方式中，公开了一种分布式监测系统，包括：分别将实施例二中的结构应变传感器贴附在待测受力结构的设定位置，形成对待测受力结构的分布式全覆盖应变监测网。

具体地，确定并标记被监测受力结构的关键部位，如应力应变集中区域；

依照结构关键部位的位置，形状，大小定制上述的复合贴片传感器，依次贴附在关键部位，对关键部位实现全面覆盖；

将所有分布的复合贴片传感器连接到外电路，在线实时记录每个传感器的电阻值并汇总，形成一个分布式的全覆盖结构应变监测网。

实施例四

在一个或多个实施方式中，公开了一种碳纳米管压阻无纺复合贴片传感器的制备方法，包括如下步骤：

(1)在室温条件下，制备碳纳米管的水基浆料；

所用配制的碳纳米管水基浆料由工业级多壁碳纳米管粉末，十二烷基苯磺酸钠表面活性剂，三硅氧烷表面活性剂，水，四部分混合而成，具体含量为1-3％，2-6％，1-3％和88-94％；配置步骤为：将初步混合料先填入离心式混合器，以2000转/秒的速度，混合搅拌三分钟，再转送至超声波震荡机中，加载声波震荡15分钟，以获取均匀的纳米浆料。

(2)将裁剪好的芳纶短纤维无纺布浸润在碳纳米管浆料中，充分浸润15分钟，水平移至恒温烤箱在160℃下干燥处理，制得即得具有碳纳米管感应涂层的无纺复合布料；

短纤维无纺布可为芳纶，聚酯，涤纶，尼龙纤维或类似纤维无纺布，所述布料厚度为0.1～1.0mm。

(3)将上述具有碳纳米管感应涂层的无纺复合布料平铺于真空辅助树脂传递模塑装置中，导入树脂，在一个标准大气压下固化，形成具有碳纳米管压电特性网络的复合材料贴片；

树脂体系是指聚乙烯，聚乙烯醇，环氧树脂，双马树脂，聚芳基乙炔树脂和聚酰亚胺中的任意一种。

(4)参照图5，在上述复合材料贴片的横纵两个主要轴线上各安置一对电极，形成对横纵双向应变的感应体制，将铜丝与电极用导电银胶粘接，接入外电路，在线监测并记录电阻值，计算出应变的实时变化，即得到可感应多向应变的贴片传感器；

监测到的传感器的横纵方向的电阻值的变化量(即实时电阻值减去初始电阻值)除以该复合贴片的横纵应变敏感系数即可得到横纵方向的应变量。

(5)在上述应变贴片传感器中，导电网络基于所述步骤(2)所构成的无纺布料表面的碳纳米管涂层，此涂层具有良好的韧性和导电性，且具有基于碳纳米管截断效应的应变感应机理。在外界应变的作用下，无纺布料基地的拉伸(或收缩)使纳米涂层内减少(或增加)纳米重叠区域与电连接，导致整体传感器电阻的增加(或减少)，即形成一个广泛的压阻感应网络。

参照图6，传感器电阻变化率实时、准确地反映施加拉伸应变，且当被监测构件出现塑性形变时，传感器电阻变化率瞬间呈现极大变化，实现对结构损伤的实时监测。参照图7，传感器在监测横向和纵向应变时，电阻变化率在不同方向呈现不同的应变灵敏度，实现对两个方向应变的实时监测。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种无纺复合材料，其特征在于，包括：无纺布，利用纳米导电颗粒的水基浆料在所述无纺布的表面沉积纳米导电颗粒涂层，形成连续的导电涂层；所述水基浆料包括：工业级多壁碳纳米管粉末、十二烷基苯磺酸钠表面活性剂、三硅氧烷表面活性剂和水，所述无纺布的布料空隙率大于85％；

所述水基浆料的配置方法为：将初步混合料先填入离心式混合器，以2000转/秒的速度，混合搅拌，再转送至超声波震荡机中，加载声波震荡，以获取均匀的纳米浆料；

在设定的温度环境下，制备纳米导电颗粒的水基浆料；将裁剪好的无纺布浸润到所述水基浆料中；设定时间后，取出移至设定的温度环境下进行干燥处理；得到具备纳米导电颗粒感应涂层的无纺复合材料。

2.如权利要求1所述的一种无纺复合材料，其特征在于，所述无纺布料组成纤维包括：芳纶、聚酯、涤纶或尼龙纤维中的至少一种。

3.如权利要求1所述的一种无纺复合材料，其特征在于，所述无纺布的纤维长度为10-30mm。

4.如权利要求1所述的一种无纺复合材料，其特征在于，所述纳米导电颗粒包括：碳纳米管、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、银或铜纳米颗粒中的至少一种。

5.如权利要求1所述的一种无纺复合材料，其特征在于，所述无纺布中所含纳米导电颗粒的重量比率为0.1～10％。

6.一种结构应变传感器，其特征在于，包括：对权利要求1-5任一项所述的无纺复合材料导入树脂，在设定的大气压下固化，形成基于无纺复合材料的压阻感应贴片；在所述压阻感应贴片按照设定的方向布置多组电极，在所述压阻感应贴片的横纵两个主要轴线上各安置一对电极，形成对横纵双向应变的传感体制，所述电极通过导线接入外电路，其中电极方向表示为所监测的应变方向，监测到的传感器各方向的电阻值的变化量除以该压阻感应贴片的相应方向的应变敏感系数，即得到相应方向的应变量；从而得到可感应多向的结构应变传感器；

通过调节碳纳米管含量，即在浸润过程中所使用的碳纳米管浆料的浓度，来改变传感器的应变敏感系数；通过调节无纺布料的单位重量及树脂基材，来改变传感器的应变监测范围。

7.一种分布式检测系统，其特征在于，包括：分别将权利要求6所述的结构应变传感器贴附在待测受力结构的设定位置，形成对待测受力结构的分布式全覆盖应变监测网。

8.一种无纺复合材料的制备方法，其应用于如权利要求1-5任一项所述的无纺复合材料的制备，其特征在于，包括：

在设定的温度环境下，制备纳米导电颗粒的水基浆料；

将裁剪好的无纺布浸润到所述水基浆料中；

设定时间后，取出移至设定的温度环境下进行干燥处理；

得到具备纳米导电颗粒感应涂层的无纺复合材料。

9.如权利要求8所述的一种无纺复合材料的制备方法，其特征在于，所述纳米导电颗粒的水基浆料包括：

工业级多壁碳纳米管粉末1-3％、十二烷基苯磺酸钠表面活性剂2-6％、三硅氧烷表面活性剂1-3％和水88-94％。

10.一种分布式全覆盖结构应变监测方法，其特征在于，包括：

确定并标记被监测受力结构的关键部位；

制作权利要求6所述的结构应变传感器，分别贴附在所述的关键部位；

根据监测到的结构应变传感器的电阻变化量确定相应位置的应变量。

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