一种应力温度自感知柔性碳纤维毡及其制造方法

本发明属于柔性碳纤维毡，具体地说是一种应力温度自感知柔性碳纤维毡及其制造方法，可以有效解决上述提到的材料成本高，内部损伤监控等问题。

背景技术：

1、碳纤维是一种纤维状碳材料，具有非常优异的力学性能(如高比强度，高比模量等)和功能特性(如高导电和导热性)，其作为分散体填充到高分子基体中可以大幅提高材料的综合性能。根据分散体形态的不同，碳纤维可分为长丝碳纤维，短切碳纤维，编织碳纤维等形式。其中短切碳纤维可加工性高，成本相对较低，因而应用较普遍。不连续的碳纤维可以分散在非导电基质(如聚合物和水泥基质)中，以提供自传感、自加热和电磁干扰屏蔽等功能。使用少量粘合剂，短切碳纤维毡可以用与造纸类似的湿法制备碳纤维毡。与其他碳材料相比，碳纤维毡具有许多优点，即碳纤维分布均匀。这一特性使得碳纤维毡具有很高的面内电导率。此外，碳纤维毡还可以作为复合材料的层间增韧剂。然而，碳纤维毡的损伤可能会削弱这种改善；因此，碳纤维毡的健康监测对其功能和力学性能都具有重要意义。

2、自感知是指材料在不需要嵌入或附加传感器的情况下感知自身状况的能力，如应力、应变、温度、冲击或损坏；这种方法具有许多优点，包括传感体积大，使用寿命长，机械性能退化最小；各种自传感技术中，基于电阻的传感技术尤其受欢迎；除电阻外，电容已被确定为应力和应变的另一个指标；基于电容的自传感受极化的影响，极化涉及正电荷中心和负电荷中心的分离。

3、导电材料的介电常数可以达到巨大的值，这种显著的介电常数源于载流子-原子相互作用的良好参与和导电材料中载流子的高浓度；相对介电常数与电容有关，它可以由lcr表(一种用于测量电子元件的电感(l)、电容(c)和电阻(r)的电子设备)提供；连续碳纤维的介电常数更高，pan基碳纤维达到12000，沥青基碳纤维达到4900，超过了柔性石墨的介电常数(1170)；介电常数的差异可以归因于，相比柔性石墨，连续碳纤维更大程度的极化连续性；此外，极化连续性受材料微观结构的影响；碳纤维毡包含少量非导电粘合剂，与连续碳纤维和碳纤维复合材料相比，具有中等的极化连续性。

4、公开号cn110931270a的中国专利申请公开了一种通过受力承载感知传感器监测的智能碳纤维布；提供一种通过受力承载感知传感器监测的智能碳纤维布，施工方式简单，通过两层碳纤维及之间的光纤光栅应变传感器，在保证增强建筑结构的同时，可对建筑不同点位进行承载力实时监测，由两层碳纤维布构成，两层碳纤维布之间布置有对应数量的光纤光栅应变传感器，并且两层碳纤维布之间通过增强粘结层相连，当增强粘结层凝固后，两层碳纤维布即为一体结构，通过光纤光栅应变传感器的实时监测。

5、目前，由于碳纤维本身为碳的单质材料，化学性质稳定很难与其它材料复合，这对其修饰和复合的工艺加工来说大大增加了难度，这也导致其在应用过程中性能受到局限。

6、为此，本领域技术人员提出了一种应力温度自感知柔性碳纤维毡及其制造方法来解决背景技术提出的问题。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种应力温度自感知柔性碳纤维毡及其制造方法，旨在全面研究应力和温度对碳纤维毡介电常数和电阻率的影响，同时解耦样品-电极界面的影响；同时还解决了应力和温度对界面电容和电阻的影响问题。

2、一种应力温度自感知柔性碳纤维毡，所述柔性碳纤维毡包括pan基连续碳纤维、脂肪醇消泡剂、羟乙基纤维素(hec)和粘合剂。

3、优选的，所述pan基连续碳纤维的每个碳纤维束由12,000个单独的细丝组成。

4、一种应力温度自感知柔性碳纤维毡的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

5、s1、首先将连续的碳纤维束缠绕在木板上，并用洒水器进行润湿；

6、s2、接着用刀和尺将长碳纤维剪成短段；

7、s3、然后将短切碳纤维放入100℃烘箱干燥2小时；然后将它们放入索氏提取器中，与丙酮混合以消除黏附在碳纤维上的施胶剂；然后再次在80℃的烤箱中干燥2小时，通过使用丙酮去除了黏附在碳纤维上的施胶剂，这一步骤有助于提升碳纤维毡的纯度，进一步优化其性能；

8、s4、然后在水溶剂中，将氯氟烃、丙烯酸和消泡剂混合配制成溶液；将混合物在室温下以1000-1500rpm的转速进行磁力搅拌约0.5小时，以确保碳纤维溶液均匀分散，有助于在后续的成毡过程中形成均匀一致的结构，从而提高碳纤维毡的整体性能；

9、s5、然后大部分的水被从溶液中除去，使用rap i d-kothen sheet former(ptirk3-kwtju l,austr i a)形成湿的手片；

10、s6、最后将薄片干燥，直到达到恒定的重量。

11、优选的，在步骤s2中，所述短段的长度为6毫米。

12、优选的，在步骤s4中，所述水溶剂可设计3组，包括如下：

13、1)水400g,cf0.2 g,hec 0.8g，变形剂0.03g；

14、2)水500g,cf 0.25g,hec 1.0g，变形剂0.0375g；

15、3)水600g,cf 0.3g,hec 1.2g，变形剂0.045g。

16、优选的，在步骤s4中，所述水溶剂的质量比为m(水):m(氯氟烃):m(hec):m(消泡剂)＝400:0.2:0.8:0.03。

17、优选的，在步骤s6中，所述薄片干燥采用热风干燥法，即利用热风设备加热空气，使之在高温下吹拂薄片表面，将表面水分逐渐蒸发，所述热风机的温度可以设置在50-100℃，时间为10-30min，热风机的温度可以设置在50-100℃，这种温度范围的控制有助于保持碳纤维毡的性能和结构稳定性，避免过高或过低的温度对材料造成损害，同时热风干燥的时间为10-30分钟，可以根据实际需要调整干燥时间，以达到最佳的干燥效果。

18、优选的，所述热风设备的操作方式为：首先100℃10min干燥1次，再70℃20min干燥2次，通过分阶段调整温度和时间，如首先100℃10min干燥1次，再70℃20min干燥2次，可以更有效地去除水分，同时避免材料过热。

19、热风干燥法利用热风设备加热空气，通过高温吹拂薄片表面，能够高效地将表面水分逐渐蒸发。这种干燥方法速度快，有助于提高生产效率；同时热风干燥法能够确保碳纤维毡的均匀干燥，减少因干燥不均而导致的性能差异。通过精确控制温度和干燥时间，可以生产出质量更稳定、性能更优异的碳纤维毡，且热风干燥法能够更有效地利用能源，降低能耗。同时，由于热风干燥过程中产生的废气较少，对环境的影响也相对较小。

20、优选的，pan基连续碳纤维：这是碳纤维毡的主要成分，它提供了毡的基本结构和强度；碳纤维具有高强度、高模量、耐腐蚀等特性；

21、脂肪醇消泡剂：这是一种表面活性剂，用于消除生产过程中产生的泡沫；在碳纤维毡的制造过程中，它可能用于帮助消除粘合剂或其他添加剂混合时产生的气泡，从而确保产品的均匀性和质量；

22、羟乙基纤维素(hec)：hec是一种高分子化合物，具有良好的黏合性和增稠性能；在碳纤维毡中，它可能作为粘合剂的一部分或辅助剂，用于增强毡的结构稳定性和柔韧性；

23、粘合剂：粘合剂在碳纤维毡中起着将各个组分紧密结合在一起的作用，确保毡的整体性和稳定性。

24、本发明通过测量碳纤维毡在受到应力和温度变化时的电容和电阻变化，实现对应力和温度的自感知；其中，基于电容的自感知材料适用于各种电阻率的材料，并且对电极质量的要求较低；通过施加单轴压缩应力，可以测量碳纤维毡的电容和电阻变化，从而确定应力和温度对介电常数和电阻率的影响；通过加热和冷却过程，可以测量碳纤维毡的电容和电阻变化，从而评估可逆性。

25、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

26、本发明提供了一种能够灵敏自感碳纤维毡内部应力和温度的碳纤维毡，可以有效解决现有技术中材料成本高、内部损伤监控等问题；此外，基于电容的自感知材料相比基于电阻的自感知材料具有适用性更强、对电极质量要求较低等优点；本发明的应力温度自感知柔性碳纤维毡可以广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域，具有重要的实用价值。