基于一维和二维纳米材料叠层结构涂层的高强度传感纤维连续制备方法

本发明属于复合材料传感，具体涉及一种基于一维和二维纳米材料叠层结构涂层的高强度传感纤维连续制备方法。

背景技术：

1、纤维增强复合材料由于其高比刚度和强度、优异的耐腐蚀性和热稳定性，在航空航天、建筑、汽车和风力发电等领域得到了广泛的应用。然而，在制造过程中，树脂的异常流动可能引起干斑、孔隙等缺陷，导致复合材料产生残余应力和尺寸不稳定性；此外，长时间的过载使用也可能引起难以检测的内部缺陷，如微裂纹、纤维脱粘、断裂和分层。针对上述问题，嵌入式结构健康监测方案提出将传感器永久嵌入到复合材料的主要结构中，实现从固化过程中的在线监测到损伤、变形和裂纹的连续和定期检查；传感器主要包括热电偶、超声波换能、压力传感、光纤传感、压电传感等技术，然而这些传感器通常存在与树脂的界面兼容性差的问题，容易导致缺陷的产生。

2、相比之下，基于纳米材料涂层的纤维传感器不仅具备优异的压阻传感性能，还具有与结构增强纤维相当的力学性能和界面兼容性。具体来说，一维纳米材料涂层的蓬松结构显著提高了传感纤维的界面性能，表现出较高的固化监测灵敏度，然而只有在电泳溶液浓度较高的情况下，纤维基体表面才能形成导电网络，导致传感纤维的初始电阻较高且数据存在较大的离散性(bin yang,fu-zhen xuan,hongshuai lei,zhenqing wang,yanxunxiang,kang yang,xiaojun tang,wenyan liang,simultaneously enhancing the ifssand monitoring the interfacial stress state of gf/epoxy composites viabuilding in the mwcnt interface sensor,composites part a:applied science andmanufacturing,volume 112,2018,pages 161-167,issn 1359-835x,https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2018.06.006)；另一方面，二维纳米材料的片状结构提供了更大的接触面积，在受到机械应变时表现出更高的灵敏度，然而二维纳米材料片层极易在纤维表面堆积，从而导致界面滑移并降低复合材料的界面性能(xiaoming chen,yaozu hui,jiangbin zhang,yijie wang,jie zhang,xin wang,siyi cheng,kaiqiang wen,zhen li,chenglin yi,jinyou shao,single multifunctional mxene-coated glass fiber forinterfacial strengthening,damage self-monitoring,and self-recovery in fiber-reinforced composites,composites part b:engineering,volume 259,2023,110713,issn 1359-8368，https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.110713)。因此，需要一种新的连续制备工艺，制备具有一维和二维纳米材料叠层结构涂层的高强度传感纤维，以巧妙地结合一维和二维纳米材料的独特优势，并避免各自存在的缺陷。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术问题的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于一维和二维纳米材料叠层结构涂层的高强度传感纤维连续制备方法，能够在纤维表面沉积具有叠层结构的涂层，进一步提升传感纤维的力学性能和界面强度，同时在全生命周期健康监测过程中兼具二维纳米材料良好的传感稳定性和一维纳米材料优异的监测灵敏度。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种基于一维/二维纳米材料叠层结构涂层的高强度传感纤维连续制备方法，将纤维单丝使用食人鱼溶液预处理，通过连续的电泳沉积工艺先在纤维单丝表面沉积二维纳米材料，干燥处理后形成连续的二维压阻功能涂层，随后采用相同沉积工艺将一维纳米材料沉积在连续的二维压阻功能涂层表面，再次进行烘干处理，制备出具有叠层结构涂层的单丝纤维传感器；单丝纤维传感器具有良好的结构增强特性、优异的传感稳定性和监测灵敏度。

4、所述的纤维包括玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯和全芳香族聚酯纤维；二维纳米材料包括石墨烯和mxene，一维纳米材料包括碳纳米管、碳纳米线和二氧化钛纳米线。

5、所述的食人鱼溶液由7h2so4:3h2o2配置得到，且预处理过程持续30-60min，使用去离子水清洗数次直至废液ph值为中性，在100-200℃下干燥24-48小时。

6、连续的电泳沉积工艺中二维纳米材料分散液浓度为0.05-2mg/ml，一维纳米材料分散液浓度为0.5-5mg/ml，且一维纳米材料分散液超声处理60-90分钟以均匀分散。

7、二维纳米材料为mxene时，对盛有mxene溶液的电泳池冰浴处理，防止因电极焦耳热导致mxene氧化失效；对沉积功能材料后的单丝纤维传感器烘干处理，以保证纤维表面功能涂层的结构稳定性，烘干炉的温度为80-100℃，烘干过程中通入氮气，防止mxene涂层氧化失效。

8、连续的电泳沉积工艺的电压为10-30v，电极板间距为2-10cm，纤维单丝在电泳过程中靠近正极且距离保证为3-5mm；纤维单丝每部分的电泳沉积时间为1-3min。

9、和现有技术相比，本发明的有益效果为：

10、本发明提供了一种在纤维表面构筑一维/二维纳米材料叠层结构涂层的连续电泳沉积新工艺，制备的具有叠层结构涂层的单丝纤维传感器表现出良好的结构增强特性，兼具了二维纳米材料的传感稳定性和一维纳米材料的监测灵敏度。

11、本发明制备的具有叠层结构涂层的单丝纤维传感器性能稳定，通过电泳池的冰浴处理并在烘干时通入氮气，防止制备过程中因温度过高而导致mxene氧化失效，保证了传感纤维表面压阻功能涂层的传感稳定性。

技术特征：

1.一种基于一维/二维纳米材料叠层结构涂层的高强度传感纤维连续制备方法，其特征在于：将纤维单丝使用食人鱼溶液预处理，通过连续的电泳沉积工艺先在纤维单丝表面沉积二维纳米材料，干燥处理后形成连续的二维压阻功能涂层，随后采用相同沉积工艺将一维纳米材料沉积在连续的二维压阻功能涂层表面，再次进行烘干处理，制备出具有叠层结构涂层的单丝纤维传感器。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的纤维单丝包括玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯和全芳香族聚酯纤维；二维纳米材料包括石墨烯和mxene，一维纳米材料包括碳纳米管、碳纳米线和二氧化钛纳米线。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的食人鱼溶液由7h2so4:3h2o2配置得到，且预处理过程持续30-60min，使用去离子水清洗数次直至废液ph值为中性，在100-200℃下干燥24-48小时。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：连续的电泳沉积工艺中二维纳米材料分散液浓度为0.05-2mg/ml，一维纳米材料分散液浓度为0.5-5mg/ml，且一维纳米材料分散液超声处理60-90分钟以均匀分散。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：二维纳米材料为mxene时，对盛有mxene溶液的电泳池冰浴处理，防止因电极焦耳热导致mxene氧化失效；对沉积功能材料后的单丝纤维传感器烘干处理，以保证纤维表面功能涂层的结构稳定性，烘干炉的温度为80-100℃，烘干过程中通入氮气，防止mxene涂层氧化失效。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：连续的电泳沉积工艺的电压为10-30v，电极板间距为2-10cm，纤维基材在电泳过程中靠近正极且距离保证为3-5mm；纤维单丝每部分的电泳沉积时间为1-3min。

技术总结一种基于一维/二维纳米材料叠层结构涂层的高强度传感纤维连续制备方法，将纤维单丝作使用食人鱼溶液预处理，通过连续的电泳沉积工艺先在纤维单丝表面沉积二维纳米材料，干燥处理后形成连续的二维压阻功能涂层，随后采用相同沉积工艺将一维纳米材料沉积在连续的二维压阻功能涂层表面，再次进行烘干处理，制备出具有叠层结构涂层的单丝纤维传感器；单丝纤维传感器具有良好的结构增强特性、优异的传感稳定性和监测灵敏度；本发明能够在纤维表面沉积具有叠层结构的涂层，进一步提升传感纤维的力学性能和界面强度，同时在全生命周期健康监测过程中兼具二维纳米材料良好的传感稳定性和一维纳米材料优异的监测灵敏度。技术研发人员：陈小明,王一杰,惠耀祖,张洁,隆垒燕,邱海洋,戴娇娇,游非尔,张迪受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5