基于MXene/CNT微纳传感器的复合材料液体成型树脂充模和固化监测研究

Based on the excellent electrical conductivity, thermal conductivity and good compatibility with resin, MXene and CNT are available for the online monitoring of liquid composite molding of large size and complex structures. In this proposal, the MXene/CNT will be used as a novel micro-nano sensor. The conductive model of tube and lamella cross-linked network will be established to reveal the resistance response sensing mechanisms of MXene/CNT sensor; the resistance tests and data acquisition platform will be set up to study the response rules of resin flow states and resistance signals; the relationships between phase changes of resin-microscopic move states of MXene lamellas and CNTs-resistance variations of MXene/CNT will be built to research the resistance response laws of sensor during resin curing; Compare the theoretical analysis, numerical simulations and experimental results of resin flowing and curing for LCM, the influences of process parameters on composite properties will be explored, and suitable curing curves will be obtained. The research results will provide the theoretical guidance and technical support for the design of process parameters and in situ real-time monitoring of LCM in the engineering industry.

鉴于碳/氮化物二维纳米层状材料(MXene)和碳纳米管(CNT)具有优异的导电、导热性和良好的树脂相容性，可用于大尺寸、复杂形状复合材料构件的液体成型制造过程在线监测。本项目以MXene/CNT膜作为新型微纳传感器，通过构建其管片交联网络导电模型，揭示MXene/CNT传感器的电阻响应传感机理；通过搭建MXene/CNT传感器电阻测试及数据采集平台，研究树脂流动状态与传感器电阻信号之间的响应规律；通过建立复合材料液体成型(LCM)过程中树脂相态变化-MXene与CNT微观运动状态-MXene/CNT传感器电阻变化的关系，研究树脂固化过程中MXene/CNT传感器的电阻响应规律；通过对LCM树脂充模和固化过程的理论分析、数值模拟和实验测试结果的对比验证，探索工艺参数对复合材料制件性能的影响，获得合理的固化制度曲线。研究成果将为工程中LCM制造工艺参数设计和原位实时监测提供理论指导和技术支持。

复合材料液体成型制件性能在很大程度上取决于基体树脂的充模和固化过程，充模不充分、固化不完全、固化场不均匀会导致复合材料的基体缺陷，使制件出现分层、翘曲和尺寸稳定性差等问题。尽管复合材料的生产商会提供一个“标准”的工艺制度，但是这个工艺制度通常是针对某一理想情况制定的，而不一定适合工程中复合材料构件实际的制造过程。为了保证复合材料液体成型产品质量，这就需要对制造过程中树脂的充模和固化信息进行精确有效的实时在线监测。.项目针对上述问题，项目重点开展了MXene/CNT传感薄膜可控制备、管片交联网络导电模型构建、电阻响应传感机理阐释等研究工作，并搭建了碳微纳传感器电阻测试及数据采集平台，阐明了树脂流动状态与传感器电阻信号之间的响应规律，建立了复合材料液体成型过程中树脂相态变化-MXene与CNT微观运动状态-MXene/CNT传感器电阻变化三者之间的关系，阐明了树脂固化过程中碳微纳传感器的电阻响应规律，并通过对树脂充模和固化过程的传感器实时在线监测，阐明了工艺参数对复合材料制件性能的影响，获得了合理的固化制度曲线。项目关于MXene/CNT微纳传感器的传感网络分析和传感响应机理研究具有重要的学术价值，可丰富树脂流动、渗透、交联、凝胶以及复合材料固化残余应力的在线监测方法。同时，利用MXene/CNT微纳传感器对复合材料液体成型工艺树脂充模和固化过程的实时监测研究，可为复合材料构件生产中的材料设计、模具设计、充模压力调控和固化工艺制度制定提供有益指导，项目成果在实际工程中也将具有重要的应用价值。.基于本项目研究工作，发表Composite science and technology、Composite Structures等高水平期刊论文17篇(15篇SCI检索)，授权国家发明专利6项，并多次在国内外学术会议上作报告。开创了基于碳微纳传感器的复合材料液体成型制造监测理论，获得中国产学研合作创新成果一等奖、中国航空学会科技成果奖等。项目团队成员入选国家百千万人才工程、国家有突出贡献中青年专家、辽宁省兴辽英才计划青年拔尖人才等称号。