基于层层自组装的纳米碳管柔性应变传感器研究

摘要

近年来结构性建筑大量增加,提高这些建筑的安全检测水平十分重要。计算机实时评估系统可以大大推进桥梁的健康检测水平,而由大量传感器组成的传感网络则是建立该系统的基础。能适应外界环境变化并且可以安装在不平整表面上的柔性应变传感器是未来发展的趋势。其中碳纳米管薄膜传感器由于具有优异的性能而成为研究热点,目前已有不少相关报道。但是,基于柔性基底的碳纳米管薄膜应变传感器的相关研究主要集中于国外,而且大多数研究针对的是刚性基底。并且现有的碳纳米管应变薄膜研究,大多未考虑薄膜对工作环境的适用性。本文设计并制作了一种用于结构健康监测的柔性碳纳米管薄膜应变传感器,对传感器敏感元碳纳米管薄膜的性能进行了探讨,对应变传感器的应变响应性能和稳定性能进行了研究。利用层层自组装(Layer-by-layer, LBL)方法在柔性基底聚乙烯膜上制备了单壁碳纳米管网状薄膜,并对其进行了SEM、AFM薄膜表面形貌表征。测试了薄膜电性能,探讨了碳纳米管薄膜的导电机理,并分析了关键工艺因素对薄膜电性能的影响以优化LBL工艺。试验表明碳纳米管薄膜有良好的电导性,12层薄膜的电阻率为1.47×10-9M？·m；薄膜的电阻随着层数的增加呈指数态下降,电阻率越来越低；改变PDDA(poly (dimethyldiallylammonium chloride)浓度或碳纳米管浓度亦对薄膜导电性能有较大影响。测试了薄膜透光性。采用层层自组装碳纳米管薄膜及微细加工工艺,在柔性衬底上制备了应变传感器。该传感器通过输出薄膜电阻反映应变大小。测试了器件对压应变和拉伸应变的不同响应情况,器件对应变呈现较好的敏感性、快速响应特性、线性响应和可恢复性,灵敏度为4.25。研究了湿度和光照等因素对器件信号的影响,试验表明添加防护层能有效减少外界湿度和光照因素影响,传感器稳定性明显提高。探讨了应变传感机理及外界因素的影响机制。该传感器由于在柔性基底上制作,可用于桥梁等结构设施中弯曲表面的应力应变检测。

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摘要

ABSTRACT

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第一章 绪论

1.1 应变传感器的研究背景

1.2 碳纳米管

1.2.1 碳纳米管的结构及特性

1.2.2 碳纳米管的活化及应用

1.3 碳纳米管应变传感器发展概况

1.3.1 网络状碳纳米管薄膜

1.3.2 层层自组装方法

1.3.3 柔性基底

1.3.4 碳纳米管应变传感器的国内外研究进展

1.4 本文的研究意义与研究内容

第二章 层层自组装碳纳米管薄膜的应变传感机理分析

2.1 组装膜的导电机理分析

2.1.1 碳纳米管的管间接触电阻

2.1.2 碳纳米管薄膜的电阻率讨论

2.2 应变对组装膜电导性的影响机理

2.3 其他因素对组装膜电导性的影响机理

2.3.1 温度对组装膜电导性的影响机理

2.3.2 湿度对组装膜电导性的影响机理

2.4 组装膜电阻随层数变化机理分析

2.5 本章小结

第三章 碳纳米管薄膜的制备、表征和优化

3.1 实验材料准备

3.2 层层自组装碳纳米管薄膜的制备

3.3 层层自组装碳纳米管薄膜的基本表征

3.3.1 碳纳米管薄膜的表面形貌

3.3.2 碳纳米管膜的层数对薄膜性能的影响

3.4 改变PDDA 与SWNT 的浓度和比例对薄膜性能的影响

3.5 本章小结

第四章 应变传感器制备及特性分析

4.1 应变传感器制备

4.2 应变传感器的性能测试

4.2.1 应变传感实验的原理

4.2.2 应变传感测试方式

4.2.3 应变传感测试

4.4 应变特性测试结果和分析

4.5 本章小结

第五章 应变稳定性改进

5.1 防护层制作与稳定性实验

5.2 湿度和光照稳定性实验及结果讨论

5.3 温度对传感器输出的影响

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

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