一种用于连续打印碳纤维复合材料损伤监测的柔性传感器及其制作方法

本发明涉及连续打印碳纤维复合材料结构健康监测，具体涉及一种用于连续打印碳纤维复合材料损伤监测的柔性传感器及其制作方法。

背景技术：

1、连续打印碳纤维复合材料凭借其轻质、高强、耐腐蚀及可定制化成型等优势，被广泛应用于航空航天、汽车、新能源、轨道交通等高端装备领域。然而，在构件成型及服役过程中，受载荷、温度、环境介质等因素影响，易产生微裂纹、分层等隐蔽损伤，若无法及时监测识别，会导致结构承载能力下降，甚至引发安全事故。

2、结构健康监测是保障连续打印碳纤维复合材料构件安全服役的关键手段，其中柔性传感器因具备良好的变形适配性、可贴附性，能够贴合复合材料复杂表面实现实时监测，成为该领域的研究热点。现有柔性传感技术多采用碳纳米管、石墨烯等纳米材料作为功能层，利用其应变致电阻变化特性实现损伤感知，但在实际应用中仍存在诸多不足：一是功能层与基底结合力薄弱，在长期变形或复杂工况下易脱落，导致传感失效；二是传感器封装可靠性差，电极与功能层易受环境干扰，影响传感稳定性；三是基底与碳纤维复合材料的界面结合性不足，与复合材料力学性能不匹配，无法适配连续打印工艺的一体化成型需求，监测精度难以保障。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于连续打印碳纤维复合材料损伤监测的柔性传感器及其制作方法，通过优化传感器层状结构及制作工艺，提升传感灵敏度、结合稳定性及封装可靠性，实现碳纤维复合材料构件损伤情况及位置的精准判断。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种用于连续打印碳纤维复合材料损伤监测的柔性传感器，包括从下至上依次设置的：

4、柔性基底层，采用热塑性聚氨酯材料制成，其表面经氧等离子体处理修饰形成羟基基团。

5、碳纳米管功能层，涂覆于所述柔性基底层表面，用于在应变作用下产生电阻变化。

6、pet中间层，为具有粘性的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，根据功能层的形状进行定制化加工，用于掩模板、图案化定制及粘附铜箔电极。

7、其中，pet中间层和碳纳米管功能层平行且共面地粘附在柔性基底层上，碳纳米管功能层被嵌入在pet中间层的定制化开孔区域内。

8、铜箔电极层，同时接触碳纳米管功能层及外围的pet中间层。

9、封装层，采用热塑性聚氨酯薄膜，覆盖于pet中间层、碳纳米管功能层及铜箔电极层之上，用于密封保护。

10、在本发明优选的实施方式中，所述热塑性聚氨酯材料可选用市售工业级、试剂级或薄膜级聚合物，例如：basf的elastollan®、lubrizol estane®、covestro desmopan®系列tpu、的邵氏硬度为70-95a或40-75d，断裂伸长率≥500%。

11、在本发明优选的实施方式中，所述铜箔电极的厚度为10-50μm，将其粘贴于pet中间层的指定位置，预留与碳纳米管功能层的接触区域，保证电连接可靠性，采用刻蚀工艺形成预设电极图形。

12、另一个目的是所述用于连续打印碳纤维复合材料损伤监测的柔性传感器的制作方法，包括以下步骤：

13、制备碳纳米管溶液：将碳纳米管加入溶剂中，并加入表面活性剂，经分散处理，得到均匀稳定的碳纳米管溶液。

14、制备并修饰柔性基底：采用热塑性聚氨酯材料制作定制图形柔性基底，并对所述柔性基底表面进行氧等离子体处理，生成羟基基团。

15、布设pet中间层与铜箔电极：将粘性pet薄膜贴附于柔性基底表面，并在粘性pet薄膜上粘贴铜箔电极。

16、涂覆碳纳米管功能层：将碳纳米管溶液涂覆于柔性基底及pet中间层指定区域，干燥后形成碳纳米管功能层。

17、封装处理：将热塑性聚氨酯薄膜作为封装层，粘附于pet中间层表面，覆盖功能层与电极层，完成封装。

18、在本发明优选的实施方式中，碳纳米管的质量浓度为1wt.%-10wt.%，溶剂为去离子水、乙醇或n-甲基吡咯烷酮；所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸钠或吐温-80，所述表面活性剂的添加量为碳纳米管质量的1-15%；分散处理为超声分散，所述超声分散的功率为100-300w，所述超声分散的时间为10-60min。

19、在本发明优选的实施方式中，氧等离子体处理的参数为：功率100-150w，时间50s-5min，工作气体为氧气，气体流量为10-20sccm，使基底表面产生大量羟基基团，增强表面活性，提升与碳纳米管溶液的结合力。

20、在本发明优选的实施方式中，涂覆方式为丝网印刷、喷涂、滴涂或刮涂，干燥方式为真空干燥，温度为40-60℃，时间为2-4h，彻底去除溶剂残留，形成致密的碳纳米管功能层，使功能层与铜箔电极紧密接触。

21、在本发明优选的实施方式中，采用热压工艺辅助封装，热压温度为80-100℃，压力为0.2-0.5mpa，保压时间为5-10min，使封装层与pet中间层紧密结合，完成传感器的整体封装，得到成品柔性传感器

22、与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

23、1、本发明所述的用于连续打印碳纤维复合材料损伤监测的柔性传感器，包括从下至上依次设置的：柔性基底层，采用热塑性聚氨酯材料制成，其表面经氧等离子体处理修饰形成羟基基团。基底层的核心作用是为功能层提供一个稳定的机械支撑作用；其优异的柔性和可拉伸性，可以承受形变，确保传感器在弯曲、拉伸等动态使用过程中保持结构完整；同时热塑性聚氨酯作为热塑性材料，相较于其它柔性基底材料，热塑性聚氨酯与3d打印连续碳纤维复合材料具有优异的界面相容性，确保在打印过程中的适配性，以及复合材料损伤监测的功能实现。碳纳米管功能层，涂覆于所述柔性基底层表面，用于在应变、弯曲等形变下产生电阻变化，在3d打印连续碳纤维复合材料损伤监测中能够具有灵敏的电信号响应；pet中间层，为具有粘性的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，贴附于所述柔性基底层及碳纳米管功能层表面，用于掩模板、图案化定制及粘附铜箔电极；铜箔电极层，贴附于所述pet中间层上，与碳纳米管功能层电连接；封装层，采用热塑性聚氨酯薄膜，覆盖于pet中间层、碳纳米管功能层及铜箔电极层之上，用于封装保护。本发明的传感器相较于其它柔性传感器的最大区别在于，本发明的传感器是针对3d打印连续碳纤维复合材料损伤监测而定制设计的，其器件尺寸、器件结构、器件功能都是为了适配3d打印连续碳纤维复合材料的打印工艺与损伤监测的功能实现。①对比其它柔性传感器，本发明的传感器尺寸更小、更薄，极大地降低了对3d打印连续碳纤维复合材料的力学性能影响；②利用热塑性聚氨酯作为基底层和封装层，与3d打印连续碳纤维复合材料具有优异的界面相容性，确保与3d打印连续碳纤维工艺的适配性；③利用碳纳米管作为功能层，一方面可以将弯曲等微小形变转化为可测量的电信号，另一方面可以降低器件成本，利于在复合材料损伤监测中的大规模推广应用；④该传感器具有粘性pet中间层的结构设计，有效地将内部功能层与外部弯曲应力隔离开，大幅提升器件循环弯曲稳定性，同时利用pet的粘性提升了传感器层间的界面结合性，提升了器件的结构稳定性；⑤通过热塑性聚氨酯封装了器件的功能层和电极层，有效起到了环境隔离作用，免受水汽、氧气、灰尘污染等环境因素的侵蚀，显著提升传感器的性能稳定性和使用寿命；同时将功能层与碳纤维复合材料基体隔离开，确保了损伤监测过程中的数据准确性与电信号响应稳定性。

24、2、本发明通过氧等离子体处理修饰柔性基底热塑性聚氨酯表面，引入羟基基团，显著增强了基底与碳纳米管功能层的界面结合力；显著增强了碳纳米管功能层与柔性基底之间的化学键合与机械互锁作用，解决了柔性传感器层间易剥离的问题，提高了传感器的耐久性和信号稳定性。

25、3、本发明柔性基底及封装层均采用热塑性聚氨酯材质，具备良好的柔韧性及变形能力，可贴合连续打印碳纤维复合材料构件的复杂表面，适配构件成型及服役过程中的变形需求；材质与复合材料兼容性佳，不会对构件性能产生负面影响。

26、4、本发明热塑性聚氨酯基底-碳纳米管功能层-粘性pet/电极层-热塑性聚氨酯封装层的“三明治”结构设计，pet中间层的设置解决了电极与基底、封装层与功能层的粘附难题，各层结构一体化整合，可耐受长期变形及复杂工况，避免传感失效。

27、5、本发明中碳纳米管经超声分散及表面活性剂辅助处理，形成均匀稳定的功能层网络，在承受不同应变工况时，电阻变化响应灵敏，可精准捕捉碳纤维复合材料的微损伤及宏观损伤，为损伤评估提供可靠信号。

28、6、本发明采用的切割、喷涂、热压等工艺成熟，无需复杂精密设备，定制化程度高，可根据不同尺寸、形貌的复合材料构件调整传感器结构，易于实现规模化量产，降低应用成本。

29、7、本发明通过将多个传感器布置成阵列或网络，结合电阻变化数据，可以有效地对连续打印碳纤维复合材料构件进行损伤识别、定位和严重程度评估，为航空航天、轨道交通等高端装备领域的长期、无损结构健康监测提供了一种有效的解决方案。