一種基於碳納米管膜的複合材料各向應變監測方法與流程
2024-03-29 02:11:06 3
本發明涉及一種碳納米管取向膜及其複合材料的製備方法，通過合理的結構設計，該碳納米管膜與複合材料一體化成型後能夠實現材料的各向應變監測。
背景技術：
自1991年日本電鏡專家Iijima發現碳納米管(CNTs)以來，不同領域的專家們對這種獨特的一維石墨結構產生了濃厚的興趣。碳納米管具有極高的拉伸強度、彈性模量和彈性變形，其綜合性能高於任何已發現的傳統材料。例如單壁碳納米管的模量高達1TPa(約為鋼的5倍)，其拉伸強度普遍分布於50–200GPa，並且單壁碳納米管的密度只有1.2g/cm3左右。因此，碳納米管複合材料較目前的高性能碳纖維複合材料更輕、更強。此外，碳納米管具有優異電、導熱和熱穩定性能，故碳納米管複合材料被認為是最具潛力替代碳纖維複合材料同時實現結構/功能一體化的下一代先進複合材料。
在碳納米管的眾多應用領域中，由碳納米管的壓阻性能所決定的其在應變傳感器領域的作用引人關注。碳納米管具有優異的壓阻性能，單根碳納米管在1％的應變範圍下電阻能變化75倍，對形變具有極佳的敏感性，是應變敏感元件的極佳材料。碳納米管自身的壓阻性能和碳納米管之間的接觸電阻，使碳納米管膜也具有良好的應變敏感性，同時更具有好的加工性能，更適用於宏觀結構材料的應變監測。
清華大學和鴻富錦精密工業(深圳)有限公司共同申請的專利CN200910188746.9「應變測量裝置及測量方法」公開了一種應變測量裝置，其包括：一應變片；一用於夾持並拉伸所述應變片的夾持裝置，所述應變片在拉伸方向上產生縱向應變，在垂直於拉伸方向上產生橫向應變；以及一用於測量所述應變片的橫向應變的圖像記錄裝置；其特徵在於，所述應變片包括一碳納米管膜結構，該碳納米管膜結構包括多個碳納米管，所述多個碳納米管分別沿一第一方向與一第二方向擇優取向排列，沿第一方向擇優取向排列的碳納米管與沿第二方向擇優取向排列的碳納米管重疊交叉設置，所述第一方向與第二方向具有一夾角，所述夾角大於0小於180度，使用時，應變片是沿所述第一方向與第二方向的夾角的平分線的方向設置在夾持裝置。利用該類方法監測時傳感器沿著監測應變方向變形外，受泊松效應的影響在垂直監測方向發生形變，這些因素都會造成監測信號的變化。利用本發明方法，可降低垂直監測方向應變影響。
此外，將碳納米管膜與複合材料一體化成型，能製造出在使用的各個過程中實時監測應變的複合材料。比起現有的應變傳感器，碳納米管膜傳感器具有更大的應變敏感性，更佳的環境耐受性以及能與複合材料一體化成型的優點。
上海複合材料科技有限公司的專利CN201610546596.4「結構/加熱一體化複合材料及其製備方法」提供了一種結構/加熱一體化複合材料及其製備方法；所述複合材料為包括增強體層、碳納米管膜/樹脂複合層的多層結構；所述增強體層、碳納米管膜/樹脂複合層依次鋪層。所述方法為將碳納米管膜/樹脂複合層與電極連接，然後作為加熱部件鋪放於增強體層間或表面，通過一體化成型工藝製備複合材料。該發明製備的複合材料具有優異的力學性能和電加熱特性，在深空探測、極地觀測、民用電子器件等領域具有非常廣闊的應用前景。其複合材料的拉伸強度和模量較相應材料體系的結構複合材料分別提高3％以上，150℃以內的任何加熱溫度均可在5分鐘以內達到平衡，並且在150℃下連續加熱200小時，電阻變化小於5％。該方法利用碳納米管膜仍然不能克服材料多方向應變對電信號的影響，同時無規取向的碳納米管膜主要依靠碳納米管間的電阻變化實現壓阻特性，通過取向後碳納米管承載能力更強，可以更好發揮碳納米管自身的壓阻特性。
現有技術大多採用顆粒填充樹脂的形式來製備碳納米管複合材料，但受到碳納米管難分散和無規分布的影響其複合材料的性能遠低於預期水平。目前已經發展出許多碳納米管分散技術，如超聲、三輥研磨、球磨和螺杆擠出，然而利用這些技術很難製備分散良好的高碳納米管含量複合材料，並且隨著碳納米管含量的增加體系的粘度大幅度提高，對成型工藝產生影響。採用碳納米管膜與樹脂進行整體複合的方法能有效避免上述缺陷，充分發揮碳納米管膜良好的力學，功能特性。同時，採用傳統整片的碳納米管膜進行應變監測過程中，因壓阻效應碳管膜的電阻受到多個方向形變的綜合作用，亟需發展一種應變監測方法，實現某一方向的應變監測。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種碳納米管膜/複合材料一體化成型應變監測方法。為了實現這一目的，本方法採用以下技術方案。
一種碳納米管膜/複合材料一體化成型應變監測方法，包括如下步驟：
(1)製備無規碳納米管薄膜，並通過機械牽伸製成碳納米管取向膜；
(2)將上述碳納米管取向膜加工成具有連續U型齒狀的碳納米管膜應變傳感器；
(3)碳納米管膜的預浸，將上述加工好的碳納米管膜應變傳感器與樹脂進行複合，預固化，成為碳納米管膜預製體；
(4)碳納米管膜應變傳感器布設與複合材料成型，將上述碳納米管膜預製體鋪於複合材料預浸料的上下表面得到複合材料，將所述複合材料加壓固化，形成可進行應變監測的碳納米管膜複合材料；
(5)連接電極材料，在線監測應變，將可進行應變監測的碳納米管膜複合材料的電極連接到外接電路，通過多種加載模式改變複合材料的形狀，記錄電阻儀的變化，計算出應變的實時變化。
所述步驟(1)中無規碳納米管薄膜由幾十至幾百層厚度不低於0.1μm的碳納米管薄層構成，碳納米管在薄膜面內二維分布，無規取向，不沿厚度分布。
所述步驟(1)中無規碳納米管薄膜的成型過程中，碳納米管與碳納米管薄膜同時形成；同時該碳納米管膜具有良好的牽伸性，可通過機械牽伸改變碳納米管的取向。
所述步驟(1)中採用多滾軸系統來改變碳納米管膜的牽伸率製備碳納米管取向膜，各個滾軸的轉動速度從進料端至出料端速率依次遞增，滾軸速度1mm/min-30mm/min。
所述步驟(2)中，將切割成片狀碳納米管取向膜加工成所需要的連續U型齒狀，製成碳納米管膜應變傳感器，加工後齒狀碳納米管膜窄帶寬度0.2-1mm，碳納米管傳感段間隙0.5-1mm，碳納米管膜齒邊長度與寬度比值大於5。從而延長了碳納米管膜應變傳感的有效長度，最大程度發揮了碳納米管自身的壓阻效應，同時克服了監測某方向應變時垂直方向的泊松效應造成的影響。
所述步驟(3)中採用熱固性或熱塑性樹脂浸漬加工後的碳納米管膜。對於熱固性樹脂，利用熱固性樹脂的纖維預浸料，按照模具-預浸料-帶孔四氟布-碳納米管膜-帶孔四氟布-預浸料-帶孔四氟布-碳納米管膜-帶孔四氟布-預浸料-模具的順序在熱壓機中進行熱壓，可一次製備多層預浸的碳納米管膜。其中所用的預浸料樹脂質量分數大於38wt％。在熱壓機中以低於樹脂體系固化溫度20-30℃的溫度，以5-10MPa的壓力進行熱壓至樹脂固化度50-70％。對於熱塑性樹脂，可將其溶於極性溶液，配置成1wt％-5wt％的樹脂溶液，浸漬碳納米管膜，其後將碳納米管膜鋪放與模具上，利用真空袋壓保證碳納米管膜平整，同時促進溶劑揮發。
所述樹脂體系是指聚乙烯、聚乙烯醇、環氧樹脂、雙馬樹脂、聚芳基乙炔樹脂和聚醯亞胺中的任意一種或多種。
所述步驟(4)中將預浸料按照鋪疊順序鋪疊成複合材料預成型體，並且在上下兩表面分別沿著相互垂直方向鋪放碳納米管膜應變傳感器預製體，可分別監測相互垂著的兩個方向的複合材料應變。同時對於導電纖維製備的預浸料和碳納米管膜傳感器之間可以加入一層絕緣層，可以為玻璃纖維薄氈或電工布、芳綸纖維薄氈、或者塑料薄膜，厚度0.02-0.1mm。
所述步驟(5)中，在連續U型齒狀碳納米管膜傳感器的兩個端部連接金屬電極，電極可以為銅絲或銀線，並用導電銀膠連接電極和碳納米管膜的兩個端部，從而減少接觸電阻。在線監測應變為：當複合材料發生縱向拉伸的時候，通過上表面監測到電阻值的變化除以碳納米管膜的應變敏感係數即可得到材料的縱向應變，可以通過下表面電阻值的變化除以碳納米管膜的應變敏感係數即可得到材料的橫向應變，上表面電阻值的改變除以下表面電阻值的改變即是複合材料的泊松比。
本發明進一步採用如下具體的技術方案：
第一步，製備無規取向的碳納米管膜，該薄膜可以採用化學氣象沉積等方法進行製備；該膜由幾時至幾百層厚度不高於0.1μm的碳納米管薄膜構成，碳納米管在薄膜內呈現二維無規分布，不沿厚度分布。該碳納米管膜中的碳納米管長度達到釐米級，相互纏結且具有良好的牽伸性，可通過機械牽伸改變碳納米管的取向。
第二步，將3-5cm寬的碳納米管條帶在三級差速多滾軸系統上進行牽伸取向，製備碳納米管取向膜。第一級滾軸的轉速為5mm/s，通過調控滾軸之間的轉速差從5mm/s到30mm/s，牽伸率能達到5％-30％。
第三步，將碳納米管膜根據需求切割成不同大小的片狀材料，寬度為1-20mm，長度為5-30mm。採用雷射切割方法加工成其工作所需要的U型齒狀，齒狀碳納米管膜齒邊寬度0.2-1mm，齒邊間距0.5-1mm，碳納米管膜齒邊長度與寬度比值大於5，最優比值大於10，從而加工得到碳納米管膜應變傳感器。
第四步，碳納米管膜的預浸，將上述加工好的碳納米管膜應變傳感器與樹脂進行複合，預固化，成為碳納米管膜預製體，所用的樹脂體系可以為環氧樹脂、雙馬來醯亞胺樹脂、氰酸酯樹脂等。對於熱固性樹脂，利用熱固性樹脂的纖維預浸料浸潤碳納米管膜，其中所用的預浸料樹脂質量分數大於38wt％。按照模具-預浸料-帶孔四氟布-碳納米管膜-帶孔四氟布-預浸料-帶孔四氟布-碳納米管膜-帶孔四氟布-預浸料-模具的順序在熱壓機中進行熱壓，一次製備多層預浸的碳納米管膜。在熱壓機中以低於樹脂體系固化溫度20-30℃的溫度，以5-10MPa的壓力進行熱壓至樹脂固化度50-70％。對於熱塑性樹脂，可將其溶於極性溶液，配置成1wt％-5wt％的樹脂溶液，浸漬碳納米管膜，溶劑揮發後獲得碳納米管膜傳感器。
第五步，複合材料的鋪層，將碳納米管膜預製體鋪於複合材料預浸料的上下表面，碳納米管傳感器U型齒邊長度方向與所監測應變方向一致，將複合材料加壓固化，形成可進行應變監測的碳納米管膜複合材料。對於導電纖維製備的預浸料和碳納米管膜傳感器之間可以加入一層絕緣層，可以為玻璃纖維薄氈或電工布、芳綸纖維薄氈、或者塑料薄膜，厚度0.02-0.1mm。
第六步，連接電極材料，將碳納米管膜應變傳感器用導電銀膠與導電銅線或銀線連接，在100℃下固化1h後，電極的接觸電阻小於10mΩ。
第七步，應變在線監測，將複合材料的電極連接到外接電路，以直流低電阻儀為例，可以實時監測接入端電阻的變化。通過多種加載模式給複合材料施加載荷，記錄電阻儀的變化，可以通過碳納米管膜的壓阻因子計算出應變的實時變化。
本發明的優點在於：
(1)本發明製備的碳納米管膜複合材料應變傳感器能有效監測複合材料上各種形式的應變，具有響應迅速，應用廣泛，敏感度高的優點。
(2)U型齒狀結構有效消除整片碳納米管膜泊松效應的影響，即碳納米管膜某方向發生應變，垂直方向的應變影響降到最低，從而準確感知材料應變變化。
(3)U型齒狀結構使監測段的有效長度增加數倍，用於應變監測，電阻變化信號響應更顯著。
(4)本發明製備的碳納米管膜複合材料應變傳感器能通過調節碳納米管膜本身的牽伸率，來改變傳感器的應變敏感係數和應變監測範圍，分別可達到14和30％。使之可以根據需求調節，生產使用不同牽伸率的應變傳感器。
(5)本發明中使用的碳納米管膜能夠與不同的樹脂複合能製備在不同環境下的複合材料應變傳感器。如與環氧樹脂複合，傳感器能在酸性或鹼性環境下工作。與聚芳基乙炔複合，傳感器能耐受250℃的高溫。
(6)本發明不但可以用於監測玻璃纖維、芳綸纖維複合材料，同時引入絕緣層可利用碳納米管膜電阻變化用於監測碳纖維等導電纖維複合材料的應變。
(6)本發明製備的應變傳感器可同時測定複合材料在兩個方向的應變，並且計算出材料的泊松比。
附圖說明
圖1為初始無規取向的碳納米管薄膜表面形貌；
圖2多滾軸系統對碳納米管膜條帶的牽伸過程；
圖3牽伸取向後的碳納米管膜微觀形貌；
圖4 U型齒狀碳納米管膜應變傳感器加工示意圖；
圖5碳納米管膜預浸鋪層結構示意圖；
圖6碳納米管與導電纖維鋪層設置；
圖7不同方向應變監測方法示意圖；
圖8為實施例中複合材料製件受軸向拉伸時，碳納米管膜電阻與縱向應變的關係；
圖9為實施例中複合材料製件受軸向拉伸時，碳納米管膜電阻與橫向應變的關係。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的保護範圍。此外應理解，在閱讀本發明講授的內容之後，本領域技術人員可以對本發明做各種改動或修改，這些等價形式同樣屬於本申請所附權利要求書所限定的範圍。
本發明提供一種基於碳納米管膜的複合材料各向應變監測方法，所述製備方法包括如下步驟：
第一步，無規碳納米管薄膜的製備。
該薄膜可以採用氣相沉積等方法進行製備；該薄膜由幾十至幾百層厚度不低於0.1μm的碳納米管薄層構成，碳納米管在薄膜面內二維分布，無規取向，不沿厚度分布，參見圖1。所述氣相沉積法製備碳納米管薄膜包括以下步驟：
在惰性氣體(如氬氣、氫氣或兩者混合物)的保護作用下，將碳源乙醇、噻吩與催化劑二茂鐵混合體系注入高溫管式爐中。在高溫管式爐的另一端採用纏繞裝置收集形成的碳納米管氣凝膠，單層氣凝膠厚度約為0.1μm，收集氣凝膠的纏繞滾筒寬度5cm，直徑1m，採用溶液噴灑於碳納米管氣凝膠，溶液揮發後形成碳納米管薄膜，隨著纏繞單層厚度變化，最終碳納米管薄膜厚度幾微米至幾十微米，最終沿著纏繞滾筒表面平行於軸向切開，形成碳納米管膜條帶。這種碳納米管薄膜的生產方法更容易實現連續批量化生產，而且通過調整高溫管式爐的直徑以及纏繞裝置可以控制碳納米管薄膜的尺寸，因而更能夠滿足實際的應用。可以通過調節纏繞的時間來控制碳納米管薄膜單層的厚度，但不低於0.1微米。改變生長條件可以得到單壁碳納米管、少壁碳納米管和多壁碳納米管中的一種或多種，碳納米管之間通過範德華力相互纏結形成自支撐碳納米管薄膜。碳納米管與碳納米管薄膜幾乎同時形成，因此碳納米管的優異性能損耗較小。
第二步，將碳納米管膜在多滾軸系統上進行牽伸取向，製備碳納米管取向膜。
本發明採用多滾軸系統來改變碳納米管膜的牽伸率，各個滾軸的拉伸速率為5mm/min,10mm/min,15mm/min等，通過調節滾筒之間的速率差，能夠調控碳管膜的牽伸率，見圖2。為了能提高碳納米管膜的可牽伸性，需要在牽伸過程中噴灑乙醇溶劑，乙醇能消除牽伸過程中碳納米管膜間形成的缺陷和孔隙，使得牽伸過程能夠順利進行而不至於發生破壞。牽伸過程中，碳納米管沿牽伸方向擇優取向，碳納米管膜的寬度變窄，牽伸率能達到5％-30％，見圖3。
第三步，將碳納米管膜根據需求切割成5×10mm等不同規格的片狀材料，加工成其工作所需要的U型齒狀，見圖4，加工成碳納米管膜應變傳感器。利用雷射切割將碳納米管膜加工成U型齒狀，這樣的形狀能夠充分發揮碳納米管膜縱向方向上的壓阻效應，而消除橫向方向上的變形給壓阻效應帶來的影響。
第四步，碳納米管膜的預浸，將上述加工好的碳納米管膜應變傳感器與樹脂進行複合，預固化，成為碳納米管膜預製體，同時表面的樹脂可以抑制後續複合過程中導電纖維等對其電信號的影響。
對於熱固性樹脂，採用複合材料成型預吸膠方法製備碳納米管複合膜，該方法碳納米管膜吸入樹脂量可控，且分布均勻。按照模具-預浸料-帶孔四氟布-碳納米管膜-帶孔四氟布-預浸料-帶孔四氟布-碳納米管膜-帶孔四氟布-預浸料-模具的順序在熱壓機中以低於樹脂體系固化溫度20℃的溫度，以5MPa的壓力進行熱壓，見圖5。制1h後，將整個模具隨爐冷卻，得到碳納米管膜預製體。
對於熱塑性樹脂，可將其溶於極性溶液，配置成1wt％-5wt％的樹脂溶液，浸漬碳納米管膜，溶劑揮發後獲得碳納米管膜傳感器。
所述樹脂體系是指聚乙烯、聚乙烯醇、環氧樹脂、雙馬樹脂、聚芳基乙炔樹脂和聚醯亞胺中的任意一種。
第五步，複合材料的鋪層，將碳納米管膜預製體鋪於複合材料預浸料的上下表面，將複合材料加壓固化，形成可進行應變監測的碳納米管膜複合材料，見圖6。
將預浸料按照鋪疊順序鋪疊成複合材料預成型體，並且在上下兩表面分別沿著和垂直於複合材料軸向鋪上碳納米管膜應變傳感器預製體。這樣在試樣受到軸向拉伸時，在上表面的碳納米管膜能夠監測試樣的縱向應變，在下表面的碳納米管膜能夠監測式樣的橫向應變。
對於導電纖維製備的預浸料和碳納米管膜傳感器之間可以加入一層絕緣層，可以為玻璃纖維薄氈或電工布、芳綸纖維薄氈、或者塑料薄膜，厚度0.02-0.1mm。
第六步，連接電極材料，將碳納米管膜應變傳感器用導電銀膠與導電銅線連接，在100℃下固化1h後，電極的接觸電阻小於10mΩ。
第七步，應變在線監測，將複合材料的電極連接到外接電路，以直流低電阻儀為例，可以實時監測接入端電阻的變化。通過多種加載模式對複合材料進行加載，記錄電阻儀的變化，結合碳納米管膜的壓阻因子，可以計算出應變的實時變化。
當複合材料發生縱向拉伸的時候，通過上表面監測到電阻值的變化除以碳納米管膜的應變敏感係數即可得到材料的縱向應變。同理，可以通過下表面電阻值的變化得到材料的橫向應變。上表面電阻值的改變除以下表面電阻值的改變即是複合材料的泊松比。
實施例1：
應用本發明提供的製備方法，通過將無取向的碳納米管膜/環氧複合膜與玻璃纖維複合材料複合，製備能進行軸向應變監測的玻璃纖維複合材料，具體步驟如下：
第一步，碳納米管薄膜的製備；
在惰性氣體的保護作用下，將乙醇、二茂鐵和噻吩的混合液以0.15ml/min的速度注入到1300℃的高溫管式爐中。惰性氣體為氬氣與氫氣(體積比為1:1)的混合物，其流量為4000sccm。在高溫管式爐的另一端形成連續的碳納米管氣凝膠，通過纏繞裝置收集碳納米管氣凝膠，滾筒寬度3cm，直徑0.5m，碳納米管氣凝膠單層厚度約0.1μm，同時用乙醇與水的混合液噴灑碳納米管氣凝膠得到碳納米管薄膜。收集得到寬3cm和厚15微米的碳納米管薄膜。
第二步，碳納米管複合預製體的製備；
利用雷射切割法把上述得到的碳納米管薄膜切割成U型齒狀，其中齒邊長5mm，寬0.2mm，齒邊間距為1mm，通過切割，形成長5mm，寬5.8mm，厚度為15微米的傳感器，該傳感器件由5段長度為5mm的碳管條帶連續構成。選用不飽和樹脂/玻璃纖維預浸料，採用模具/隔離膜/環氧樹脂預浸料/多孔四氟布/碳納米管膜/多孔四氟布/環氧樹脂預浸料/隔離膜/模具的方式鋪疊，在60℃、5MPa壓力下進行熱壓，樹脂充分流動浸漬碳納米管膜，1h後製得預固化的碳納米管膜預製體。
第三步，碳納米管膜/玻璃纖維/環氧複合材料的製備；
將預浸料纖維沿著0°方向鋪成單向複合材料層板，且在層板的一個表面沿著纖維方向鋪上碳納米管膜應變傳感器預製體，其齒邊長度方向與纖維方向一致。將鋪好的預浸料在0.5MPa，120℃下固化2h，隨爐冷卻後得到碳納米管膜/玻璃纖維/環氧複合材料。這樣在試樣受到軸向拉伸時，貼附在表面上的碳納米管膜能夠監測試樣的縱向應變。
第四步，碳納米管膜/玻璃纖維/環氧複合材料的軸向應變監測
連接電極材料，將碳納米管膜應變傳感器端部用導電銀膠與導電銅線連接，在100℃下固化1h後，電極的接觸電阻小於10mΩ。將複合材料的電極連接到外接的直流低電阻儀，實時監測接入端電阻的變化。通過在玻璃纖維複合材料上施加軸向的應變，通過記錄電阻儀上電阻值的變化，可以計算出應變的實時變化。圖8表明碳納米管膜受拉時，電阻和應變的關係，應變敏感因子約為5.0。
實施例2：
應用本發明提供的製備方法，通過滾軸進行牽伸取向，製備牽伸率為30％的碳納米管膜，並且進一步與碳纖維環氧預浸料複合，製備能進行橫向應變監測的碳纖維環氧複合材料。具體步驟如下：
第一步，碳納米管膜的製備；
在惰性氣體的保護作用下，將乙醇、二茂鐵和噻吩的混合液以0.15ml/min的速度注入到1300℃的高溫管式爐中。惰性氣體為氬氣與氫氣(體積比為1:1)的混合物，其流量為4000sccm。在高溫管式爐的另一端形成連續的碳納米管氣凝膠，通過纏繞裝置收集碳納米管氣凝膠，纏繞裝置寬度5cm，直徑0.5m。收集後用乙醇噴灑碳納米管氣凝膠得到碳納米管膜，得到寬5cm和厚15微米的碳納米管薄膜。沿著收集裝置表面平行於軸線方向切割，形成5cm寬約3m長的碳納米管條帶。
第二步，碳納米管複合預製體的製備；
將製得的碳納米管膜條帶經過差速的三級滾軸系統進行牽伸，滾軸的轉速線速度分別為5mm/min，11mm/min，15mm/min,同時在牽伸的過程中噴灑乙醇便於碳納米管膜的牽伸。得到牽伸率為30％的碳納米管膜，牽伸後碳管膜厚度變為25微米。
利用雷射切割法把上述得到的碳納米管薄膜切割成U形齒狀，其中齒邊長10mm，寬1mm，齒邊間距為1mm，形成長10mm，寬5mm，厚度為25微米的傳感器，該器件由3段長度為10mm的碳管條帶連接構成。
選用E51環氧樹脂/碳纖維預浸料，採用模具/隔離膜/環氧樹脂預浸料/多孔四氟布/碳納米管膜/多孔四氟布/環氧樹脂預浸料/碳納米管膜/多孔四氟布/環氧樹脂預浸料/隔離膜/模具的鋪疊方式進行在70℃，10MPa下進行熱壓，一次製備兩片碳納米管膜傳感器，2.5h後樹脂充分流動浸漬碳納米管膜，製得樹脂碳納米管膜預製體。
第三步，取向碳納米管膜/碳纖維/環氧樹脂複合材料的製備；
將預浸料正交鋪層製備複合材料層板，在鋪層的一個表面沿著90°方向鋪放碳納米管膜應變傳感器，其中齒邊長度方向與90°方向一致，碳納米管膜傳感器與纖維鋪層間鋪放0.05mm厚玻璃纖維氈。將鋪好的預浸料在0.3MPa，150℃下固化3h，隨爐冷卻後得到碳納米管膜/環氧樹脂碳纖維複合材料。這樣在試樣受到0°拉伸時，貼附在表面上的碳納米管膜能夠監測試樣的橫向(90°)應變。
第四步，碳納米管膜/環氧樹脂碳纖維複合材料的橫向向應變監測
將碳納米管膜應變傳感器用導電銀膠與導電銀線連接，在100℃下固化1h後。將複合材料的電極連接到外接的直流低電阻儀，可以實時監測接入端電阻的變化。在碳纖維複合材料0°施加拉伸載荷，記錄電阻儀上電阻值的變化，可以計算出複合材料橫向應變的實時變化。圖9表明，碳納米管膜在90°方向受壓時，電阻變化與橫向應變的關係，應變敏感因子為2.6。
實施例3：
應用本發明提供的製備方法，通過滾軸進行牽伸取向，製備牽伸率為20％的碳納米管膜，並且進一步與碳纖維/聚芳炔預浸料複合，製備能同時進行縱向和橫向應變監測的碳纖維/聚芳炔複合材料。具體步驟如下：
第一步，碳納米管膜的製備；
在惰性氣體的保護作用下，將乙醇、二茂鐵和噻吩的混合液以0.15ml/min的速度注入到1300℃的高溫管式爐中。惰性氣體為氬氣與氫氣(體積比為1:1)的混合物，其流量為4000sccm。在高溫管式爐的另一端形成連續的碳納米管氣凝膠，通過纏繞裝置收集碳納米管氣凝膠，纏繞裝置寬度3cm，直徑0.5m。收集後用乙醇噴灑碳納米管氣凝膠得到碳納米管膜，得到寬3cm和厚10微米的碳納米管薄膜。沿著收集裝置表面平行於軸線方向切割，形成3cm寬約3m長的碳納米管條帶。
第二步，碳納米管複合預製體的製備；
將製得的碳納米管膜條帶經過差速的三級滾軸系統進行牽伸，滾軸的轉速分別為5mm/min，9mm/min，12mm/min,同時在牽伸的過程中噴灑乙醇便於碳納米管膜的牽伸，得到牽伸率為20％的碳納米管膜。
利用雷射切割法把上述得到的碳納米管薄膜切割成U型齒狀，其中齒邊長長20mm，寬1mm，齒邊間距為0.5mm，形成一個長20mm、寬8.5mm的傳感器，該器件由6段長度為20mm的碳管條帶連接構成。
選用聚芳炔/碳纖維預浸料，採用模具/隔離膜/聚芳炔預浸料/多孔四氟布/碳納米管膜/多孔四氟布/聚芳炔預浸料/隔離膜/模具的鋪疊方式進行在60℃，7MPa下進行熱壓，0.5h後，樹脂充分浸漬碳納米管膜，製得碳納米管膜預製體。
第三步，取向碳納米管膜/碳纖維/聚芳炔複合材料的製備；
將預浸料準各向鋪層方式鋪疊製備複合材料層板，並且分別在預成型體的兩個表面沿著0°和90°方向鋪放碳納米管膜應變傳感器預製體，其中傳感器齒邊長度方向與監測方向平行，碳納米管膜傳感器與纖維鋪層間鋪放0.05mm厚芳綸薄氈。將鋪好的預浸料在0.4MPa，110℃/3h+120℃/3h+140℃/1h+150℃/1h固化，隨爐冷卻後得到碳納米管膜/碳纖維/聚芳炔複合材料。這樣在試樣受到拉伸或壓縮時，貼附在表面上的碳納米管膜能夠同時監測試樣的縱向應變和橫向應變。
第四步，碳納米管膜/環氧樹脂碳纖維複合材料的縱向和橫向向應變監測
將碳納米管膜應變傳感器用導電銀膠與導電銅線連接，在100℃下固化1h後。將複合材料的電極連接到外接的直流低電阻儀，可以實時監測接入端電阻的變化。在碳纖維複合材料上施加拉伸載荷，通過記錄電阻儀上電阻值的變化，可以計算出複合材料平行與垂直拉伸方向的應變變化，其中平行拉伸方向壓阻因子可達14，垂直拉伸方向可達5.5。
實施例4：
應用本發明提供的製備方法，通過滾軸進行牽伸取向，製備牽伸率為20％的碳納米管膜，並且進一步製備聚乙烯醇複合膜，可用於監測熱塑性複合材料不同方向的應變變化，具體步驟如下：
第一步，碳納米管膜的製備；
在惰性氣體的保護作用下，將乙醇、二茂鐵和噻吩的混合液以0.15ml/min的速度注入到1300℃的高溫管式爐中。惰性氣體為氬氣與氫氣(體積比為1:1)的混合物，其流量為4000sccm。在高溫管式爐的另一端形成連續的碳納米管氣凝膠，通過纏繞裝置收集碳納米管氣凝膠，纏繞裝置寬度3cm，直徑0.5m。收集後用乙醇噴灑碳納米管氣凝膠得到碳納米管膜，得到寬3cm和厚10微米的碳納米管薄膜。沿著收集裝置表面平行於軸線方向切割，形成3cm寬約3m長的碳納米管條帶。
第二步，碳納米管複合預製體的製備；
將製得的碳納米管膜條帶經過差速的三級滾軸系統進行牽伸，滾軸的轉速分別為5mm/min，9mm/min，12mm/min,同時在牽伸的過程中噴灑乙醇便於碳納米管膜的牽伸，得到牽伸率為20％的碳納米管膜。
利用雷射切割法把上述得到的碳納米管薄膜切割成U型齒狀，其中齒邊長長20mm，寬1mm，齒邊間距為0.5mm，形成一個長20mm、寬4mm的傳感器，該器件由3段長度為20mm的碳管條帶連接構成。
製備5wt％的聚乙烯醇水溶液，將切割的碳納米管膜置於其中30min，取出後放置在平板模具上，利用真空袋壓保證碳納米管膜平整，放置於烘箱中70℃，3h促進溶劑揮發。
第三步，取向碳納米管膜/玻璃纖維/聚丙烯複合材料的製備；
將玻璃纖維聚丙烯預浸料單向鋪層，加熱到200℃，5MPa壓力製備複合材料，採用膠粘劑將步驟二製備的碳納米管膜/聚乙烯醇傳感器黏貼於複合材料上下表面，這樣在試樣受到拉伸或壓縮時，貼附在表面上的碳納米管膜能夠同時監測試樣的縱向應變和橫向應變。
第四步，碳納米管膜/聚乙烯醇複合膜縱向和橫向向應變監測
將碳納米管膜應變傳感器用導電銀膠與導電銅線連接，在100℃下固化1h後。將複合材料的電極連接到外接的直流低電阻儀，可以實時監測接入端電阻的變化。在玻璃纖維複合材料上施加拉伸載荷，通過記錄電阻儀上電阻值的變化，可以計算出複合材料平行與垂直拉伸方向的應變變化，其中平行拉伸方向壓阻因子可達4.6，垂直拉伸方向可達2.7。