镍/铜/镍-碳纳米管复合纱线的制备及其性能

为制备轻质高强高电导率材料,以碳纳米管(CNT)纱线为原料,通过化学沉积和电沉积技术制备了镍/铜/镍-碳纳米管(Ni/Cu/Ni-CNT)复合纱线,确定最优电沉积铜工艺,并系统分析复合纱线的形貌、力学性能及电学性能,通过模拟织针编织过程,对比复合纱线摩擦前后的性能,研究了镍界面层对复合纱线结构和性能的影响。结果表明:最优工艺制得的Ni/Cu/Ni-CNT复合纱线表面均匀细致、性能优异;与原始CNT纱线相比,在断裂强度基本保持不变(90%)的情况下,复合材料电导率提高了44倍;镍界面层能够有效增强Cu镀层的结合牢度,Ni/Cu/Ni-CNT复合纱线在100次模拟编织后仅有微米级裂痕,断裂强度和电导率分别保持91%和62%。

碳纳米管用于聚合物基复合材料健康监测的研究进展

碳纳米管因其优异的机电特性,在聚合物基复合材料的健康监测方面具有广泛的应用前景。综述聚合物基复合材料中碳纳米管传感的最新进展:碳纳米管与树脂共混、碳纳米管涂层纤维、碳纳米线和碳纳米纸。利用碳纳米管传感网络来监测结构应变损伤是不同碳纳米管传感的核心原理。碳纳米纸可以解决碳纳米管与树脂共混时的难分散、碳纳米管涂层纤维的协同变形和碳纳米线的全结构监测等问题,为碳纳米管传感工程化应用提供了条件。实现碳纳米管传感在聚合物基复合材料健康监测领域的工程化应用是未来的发展方向。

纳米复合相变微胶囊涂层织物的热缓冲性能

制备了掺杂碳纳米管的相变微胶囊和同规格常规相变微胶囊,并对涤棉织物进行涂层整理。采用温度巡检仪测定了涂层织物在温度骤变情况下的"温度-时间"曲线,应用差示扫描量热仪测试了微胶囊吸热和放热情况下的热焓值。以热缓冲时间间隔(TBI)和热调节能力(TRC)为评价指标,对不同涂层织物热调节性能做了量化比较。结果显示,相变微胶囊涂层织物有明显的温度缓冲效果;在相变温度区间,涂层织物温度变化率趋近于零;用碳纳米管掺杂的复合微胶囊涂层织物的热调节能力优于常规微胶囊处理的织物。

三维编织复合材料中碳纳米管纱线嵌入位置和数量的优化配置

为解决三维编织复合材料嵌入碳纳米管(CNT)纱线传感器优化配置目标多、目标函数不连续问题,实现航天结构制件内部损伤的全面监测,采用非支配邻域免疫算法对多目标优化问题进行了研究。以四步法三维六向编织工艺为依据,分析了CNT纱线传感器的最佳嵌入位置和数量;通过非支配邻近免疫算法实现了CNT纱线传感器优化配置问题的求解,推导出不同尺寸的三维编织复合材料制件嵌入传感器的最优数量和位置。对损伤制件的应力实验及数据分析证明,CNT纱线传感器优化配置结果适用于三维编织复合材料的损伤监测,损伤定位误差小于0.6 mm。该研究为复合材料损伤源定位模型的建立提供参考。

基于碳纳米管纱线扭电能的复合材料损伤监测

为实现航天结构制件内部损伤的全面监测,基于碳纳米管纱线扭电能特征的发现,提出了航天结构制件内部损伤实时监测新方法。采用三维六向编织技术将碳纳米管纱线嵌入到航天复合材料结构制件中,构建了新型的智能三维复合材料;证明了制件内部产生损伤时,内部的碳纳米管纱线捻度发生变化可产生扭电能;采用主成分分析和损伤指数理论对碳纳米管纱线的扭电能数据进行分析。结果表明:三维编织复合材料试件内部的树脂断裂、孔洞和试件的微小裂纹可引起扭电能的变化,碳纳米管纱线扭电能对于试件内部损伤具有很高的识别能力,损伤识别精度达到0.002 mm,该研究对推进航天结构的智能监测具有重要意义。

基于碳纳米管修饰的导电棉线制备及电特性研究

针对头皮脑电信号采集中遇到的电极柔性问题，基于导电型碳纳米管溶液修饰方法，提出了一种“边分散边修饰”的导电棉线制备技术，并构建了电特性测试实验装置，采用改进的四探针法对修饰后的导电棉线进行了电特性测量。通过设计完成单因素独立实验，分别研究了碳纳米管溶液浓度、修饰时间和修饰次数3大因素对棉线电特性的影响程度，并从可穿戴传感器应用角度研究了棉线电阻与受力及温度的关系。研究结果表明，采用本文提出的实验方法对天然棉线进行导电性修饰，可得到阻值（～103Ω）远小于非入侵式干电极与头皮角质层接触电阻（～107Ω）的柔性非金属导电材料，有望成为构建柔性非入侵干式头皮脑电采集电极及可穿戴传感器的新型应用材料之一。

基于夹心结构的碳纳米管/石墨烯复合柔性导电纤维的制备及其应用

具有较大检测区域的纤维状柔性导电材料是可穿戴电子产品和电子纺织品等多种柔性器件的重要组成部分。通过在氨纶复丝表面涂覆碳纳米管(CNT)/RGO导电层,继而在导电层外部涂覆弹性聚氨酯(TPU)保护层来制备夹心结构的高度可拉伸和高灵敏度的柔性导电纤维。1D CNT和2D RGO组成的多维导电网络使纤维在具有较大可拉伸性的同时又拥有较大的相对电阻变化(ΔR/R0),将其用作传感器可用工作范围达465%(GF为215.0)。在与皮肤连接的可穿戴设备领域中具有广阔的应用前景。

PAN/SWCNTs复合纳米纤维纱线的制备及其性能

采用改进的静电纺丝装置,分别制备了纯聚丙烯腈(PAN)纳米纤维纱线和不同单壁碳纳米管(SWCNTs)质量分数的PAN/SWCNTs复合纳米纤维纱线.利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、傅里叶红外-拉曼光谱仪和X射线多晶衍射仪分别对复合纳米纤维纱线进行了形貌和直径表征、分子结构分析、结晶结构分析,并测试了不同SWCNTs质量分数对复合纳米纤维纱线力学性能的影响.结果表明:不同SWCNTs质量分数的PAN/SWCNTs复合纳米纤维纱线均具有良好的形态且沿着纱线轴向有序排列;随着SWCNTs质量分数的增加,纱线和纤维的直径均呈现减小的趋势,并且纤维中的串珠增多;碳纳米管沿纤维轴向均匀分布;碳纳米管的加入没有产生新的特征峰,但PAN的峰值有所减弱或增强;碳纳米管的加入改变了PAN的结晶性能;当SWCNTs质量分数为5%时,复合纳米纤维纱线的拉伸强度达到最高值为24.25 MPa.

形稳性复合相变材料的制备及其涂层织物的光热性能

以固液混合石蜡作为相变物质,单壁碳纳米管为支撑材料,采用浸渍法制备应用于热能储存的形稳性碳纳米管-石蜡复合相变材料;考察碳纳米管预处理效果、添加量对相变材料形稳性、潜热存储性能和热稳定性的影响,进一步探究相变材料涂层织物的红外成像性能。结果表明:固、液石蜡配比为1:1.8时,混合石蜡熔点在30~31℃;单壁碳纳米管经酸化预处理且掺杂量为8%时,所得复合相变材料形稳性较好,泄漏率为10.60%。与混合石蜡相比,相变潜热降低10.26%,导热系数提高61.57%。涂层中含8%复合相变材料的涤纶试样光热性能最佳,比对应的涂层纯棉织物表面温度高20.13%。

智能复合材料中碳纳米管纱线参数设计及其变化特征

为将碳纳米管纱线传感器嵌入复合材料中,利用三维编织技术构建了智能三维编织复合材料。针对三维六向编织复合材料编织结构,构建了编织机携纱器运动数学模型;提出了智能复合材料嵌入碳纳米管纱线的数量、长度的计算方法;分析了碳纳米管纱线在承载下的电阻变化特征。实验证明:通过Bezier曲线计算的碳纳米管纱线长度值与实际长度的误差小于1%;当拉伸应变超过2%时,嵌入的碳纳米管纱线的应力与应变开始出现非线性;试件的加载-卸载对碳纳米管纱线的电阻变化具有一定影响,试件承受大负荷卸载后,碳纳米管纱线会产生剩余电阻。

基于主成分分析的智能复合材料结构损伤类型识别

针对三维编织复合材料制件结构状态监控的关键问题,提出了基于三维六向编织工艺将碳纳米管纱线嵌入到整体复合材料制件中,构建三维空间结构的智能复合材料的方法,利用损伤指数实现了对智能复合材料制件内部损伤类型的识别,并分析了4组三维六向编织智能复合材料制件的损伤指数表现特征。结果表明:综合损伤指数优于其他3种损伤指数,综合损伤指数可精确识别制件内部损伤的类型;对于三维编织复合材料制件内部空隙类微小损伤,综合损伤指数监测值小于100;对于制件内部裂纹的损伤,综合损伤指数监测值位于300～500;当综合损伤指数监测值大于600时,可判断为试件存在大裂口损伤;基于损伤指数可计算制件内部损伤大小,精度可达到0.073 mm。

碳纳米管陶瓷织物的制备与应用研究

碳纳米管(CNT)合成纺丝制备的织物是将CNT与陶瓷作为母料(MB)混合并进行聚合,之后将母料切碎并熔融纺丝,用以制备CNT陶瓷复合纱线(LH-Yn)和碳纳米管/陶瓷复合织物(LH-织物)。通过对CNT/陶瓷复合纱线和碳纳米管/陶瓷复合织物的特性与常规的聚酯纱线(PET-Yn)和聚酯织物(PET-织物)进行对比,得出结论:LH针织物的表面温度远高于PET针织物的表面温度;在水蒸气透过性(WVP)、透气性(AP)方面两者差异并不明显,说明高分子复合纱线与含CNT陶瓷的纱线和面料可作为一种优异的光-热效应材料使用。

导电锦/棉复合纱的设计与开发

将普通纱线与导电填料复合制备具有导电功能的复合纱。设计的复合纱结构分为3层:最里层为提供高强力的锦纶长丝;中间层为棉纤维包芯层,为复合纱提供较好的吸湿、透气、染色及优异的服用性能;外层为单壁碳纳米管导电涂层。通过细纱机纺制出48.6 tex锦/棉包芯纱,采用浆纱的方法进行单壁碳纳米管涂层。结果表明,复合纱电阻值为10^9Ω,导电属性为导体材料,具有导电性能。

碳纳米管棉复合纱的电学及力学性能

为有效改善碳纳米管棉复合纱的耐用性能并实现碳纳米管棉复合纱的高效生产,采用一种简单浸渍烘干的方法来处理棉粗条,于环锭纺细纱机上制得碳纳米管棉复合纱,探讨了碳纳米管对复合纱的电学性能、力学性能及热学性能的影响。结果表明:碳纳米管不仅附着在棉纤维表面而且分布于纱体内的纤维与纤维之间;碳纳米管分散液的质量分数、纱线的细度和捻度均影响纱线的导电性能;碳纳米管在棉纤维表面的附着使得复合纱的强力提高且随着碳纳米管浓度的升高,复合纱强力增大;在8 V电压下,复合纱的温度可达52.6℃,碳纳米管与棉纤维的复合赋予了其优良的电热性能。