[0001] 引言
[0002] 本公开涉及复合材料领域，并且更具体地，涉及用于监测粘合接头的机械性能的系统和方法。
[0003] 复合材料包括利用其间的粘合接头粘合的基材。在第一基材上的第一
电极和第二基材上的第二电极之间传递
电流不提供接头的机械性能的标记。相反，在第一基材上的第一电极和第二基材上的第二电极之间的通过电流指示整体结构的状态——例如第一基材、第二基材和粘合接头的组合机械性能的标记——而不指示各个部件的机械性能。
[0004] 对第一基材，第二基材和粘合接头中的任何一个的物理改变(诸如第一基材的磨损)，将影响复合材料的电学性能。因此，在物理改变之后监控
信号的变化将不提供关于改变的本质的指示，并且将不提供对哪个或哪些部件被改变的指示。
[0005] 而且，因为粘合接头通常由第一基材和第二基材包围，并且因为第一基材和第二基材提供比粘合接头更大的暴露面积，所以复合材料的电学性能的任何改变更可能归因于任一基基材的改变而不是归因于粘合接头的改变。
发明内容
[0006] 期望的是在抑制来自基材的
干扰信号的同时监测两个基材之间的粘合接头的机械性能。有利地，根据本公开的各方面的系统和方法可以通过相对于接合的基材的电学性能来选择和控制粘合接头的电学性能来监测粘合接头的机械性能。有利地，根据本公开的各方面的系统和方法可以在粘合接头的多个预定部分处提供粘合接头的机械性能的标记。
[0007] 根据本发明的各方面，功能化粘合剂被配置为在第一基材与第二基材之间形成粘合接头。功能化粘合剂包括纯粘合剂和填料。纯粘合剂被选择为具有高于预定粘合
阈值的粘合强度。填料被选择性地分散在纯粘合剂中。选择填料以改性纯粘合剂的电学性能，使得功能化粘合剂以定制的
电阻率导电，并且使得粘合接头的电阻大于第一基材和第二基材的电阻。
[0008] 根据本公开的另外的方面，定制的电阻率被配置为产生具有比第一基材和第二基材的电阻高至少10倍的电阻的粘合接头。
[0009] 根据本公开的另外的方面，填料是功能化填料，其包括填料基材和从其延伸的功能化
聚合物。填料基材为
碳纳米结构，并且功能聚合物接枝到碳纳米结构上。
[0010] 根据本公开的另外的方面，填料是功能化填料，其包括填料基材和从其延伸的功能化聚合物，并且功能聚合物是导电聚合物。
[0011] 根据本公开的另外的方面，填料是功能化填料，其包括填料基材和从其延伸的功能化聚合物。功能聚合物是不导电的，并且选择功能聚合物以增加功能化填料和纯粘合剂之间的相互作用。
[0012] 根据本公开的另外的方面，填料包括具有第一纵横比的多个第一组分和具有第二纵横比的多个第二组分，并且选择第一纵横比和第二纵横比之间的差异来提供定制电阻率。
[0013] 根据本公开的各方面，复合结构包括第一基材、第二基材、粘合接头、电极阵列。第一基材和第二基材具有基材电阻率。粘合接头将第一基材附接到第二基材。粘合接头包括由纯粘合剂和填料组成的功能化粘合剂。纯粘合剂被选择为具有高于预定粘合阈值的粘合强度。填料选择性地分散在纯粘合剂中。选择填料以改性纯粘合剂的电学性能，使得功能化粘合剂以定制的电阻率导电，并且使得粘合接头的电阻大于基材电阻率。电极阵列被配置为监测粘合接头的机械性能。电极阵列包括经由第一基材电联接到粘合接头的第一电极和经由第二基材电联接到粘合接头的第二电极。第一电极和第二电极被
定位成使得在第一电极和第二电极之间传递的电流所经历的电阻的测量提供粘合接头的机械性能的标记，并且抑制第一基材和第二基材的机械性能的标记。
[0014] 根据本公开的另外的方面，填料是功能化填料，其包括填料基材和从其延伸的功能化聚合物。填料基材为碳纳米结构，并且功能聚合物接枝到碳纳米结构上。
[0015] 根据本公开的另外的方面，填料是功能化填料，其包括填料基材和从其延伸的功能化聚合物，并且功能聚合物是导电聚合物。
[0016] 根据本公开的另外的方面，功能化填料进一步包括从填料基材延伸的第二功能聚合物。第二功能聚合物是非导电聚合物，其被配置为改性功能化粘合剂的
粘度、粘合接头的机械性能、功能化粘合剂的热性能或其组合。
[0017] 根据本公开的另外的方面，电极阵列进一步包括经由第二基材电耦合到粘合接头的第三电极，通过测量在第一电极和第二电极之间传递的电流所经历的电阻而提供的标记指示粘合接头的第一预定部分处的机械特性，通过测量在第一电极和第三电极之间传递的第二电流所经历的第二电阻而提供的标记指示粘合接头的第二预定部分处的机械性能，并且第一预定部分不同于第二预定部分。
[0018] 根据本公开的另外的方面，电极阵列进一步包括经由第二基材电耦合到粘合接头的第三电极和经由第一基材电耦合到粘合接头的第四电极，通过测量在第一电极和第二电极之间传递的电流所经历的电阻而提供的标记指示粘合接头的第一预定部分处的机械特性，通过测量在第三电极和第四电极之间传递的第二电流所经历的第二电阻而提供的标记指示粘合接头的第二预定部分处的机械性能，并且第一预定部分不同于第二预定部分。
[0019] 根据本公开的另外方面，电极阵列进一步包括多组电极，并且在每个相应的电极组之间传递的电流的测量电阻提供了粘合接头的机械性能的3-D模型。
[0020] 根据本公开的各方面，一种方法包括使用粘合接合将第一基材附接到第二基材并且经由电极阵列监测粘合接头的机械性能。第一基材和第二基材具有基材电阻。粘合接头包括由纯粘合剂和选择性分散在纯粘合剂中的填料组成的功能化粘合剂。纯粘合剂被选择为具有高于预定粘合阈值的粘合强度。选择填料以改性纯粘合剂的电学性能，使得功能化粘合剂以定制的电阻率导电。定制的电阻率提供了大于基材电阻的粘合接头的电阻。电极阵列包括经由第一基材电耦合到粘合接头的第一电极和经由第二基材电耦合到粘合接头的第二电极。监测粘合接头的机械性能包括在第一电极和第二电极之间传递电流、测量第一电极和第二电极之间的电流所经历的电阻、以及响应于测量电阻，使用定制的电阻率确定粘合接头的机械性能。
[0021] 根据本公开的另外的方面，粘合接头的电阻比基材电阻大至少10倍。
[0022] 根据本公开的另外的方面，粘合接头的电阻比基材电阻大至少100倍。
[0023] 根据本公开的另外的方面，填料是功能化填料，其包括填料基材和从其延伸的功能聚合物，并且功能聚合物接枝在填料基材上包括：处理填料基材以产生在其表面上具有多个活性基团的前体颗粒、将前体颗粒暴露于
单体溶液以由此产生从填料基材表面上的活性基团延伸的功能性聚合物、以及响应于达到功能性聚合物的期望链长，抑制功能性聚合物的聚合，从而产生功能化填料。
[0024] 根据本公开的另外的方面，填料是功能化填料，其包括填料基材、第一功能聚合物和第二功能聚合物。第一功能聚合物和第二功能聚合物从填料基材延伸。第一功能聚合物是导电聚合物，第二功能聚合物是非导电聚合物。第一功能聚合物被配置为提供定制的电阻率。第二功能聚合物被配置为改性功能能化粘合剂的粘度、粘合接头的机械性能、功能化粘合剂的热性能或其组合。
[0025] 根据本公开的另外的方面，电极阵列进一步包括经由第二基材电耦合到粘合接头的第三电极，通过测量在第一电极和第二电极之间传递的电流所经历的电阻而提供的标记指示粘合接头的第一预定部分处的机械特性，通过测量在第一电极和第三电极之间传递的第二电流所经历的第二电阻而提供的标记指示粘合接头的第二预定部分处的机械性能，并且第一预定部分不同于第二预定部分，并且监测粘合接头的机械性能进一步包括在第一电极和第三电极之间传递第二电流、测量第一电极和第三电极之间的第二电流所经历的第二电阻、以及响应于测量第二电阻，使用定制的电阻率来确定粘合接头在第二预定部分的机械性能。
[0026] 根据本公开的另外的方面，电极阵列进一步包括经由第二基材电耦合到粘合接头的第三电极和经由第一基材电耦合到粘合接头的第四电极，通过测量在第一电极和第二电极之间传递的电流所经历的电阻而提供的标记指示粘合接头的第一预定部分处的机械特性，通过测量在第三电极和第四电极之间传递的第二电流所经历的第二电阻而提供的标记指示粘合接头的第二预定部分处的机械性能，第一预定部分不同于第二预定部分，并且监测粘合接头的机械性能进一步包括在第三电极和第四电极之间传递第二电流、测量第一电极和第三电极之间的第二电流所经历的第二电阻、以及响应于测量第二电阻，使用定制的电阻率来确定粘合接头在第二预定部分的机械性能。
[0027] 通过以下结合
附图对用于执行本公开的最佳模式的详细描述，本公开的以上特征和优点以及其它特征和优点是显而易见的。
附图说明
[0028] 附图是说明性的，并且不旨在限制由
权利要求限定的主题。示例性方面在以下详细描述中讨论并在附图中示出，其中：
[0029] 图1是根据本公开的各方面的用于监测粘合接头的机械性能的系统的示意性平面图；
[0030] 图2是根据本公开的各方面的图1的系统的示意性截面图；
[0031] 图3是监测粘合接头的机械性能的方法的
流程图；
[0032] 图4是将至少一种功能聚合物接枝到填料基材上的方法的流程图。
具体实施方式
[0033] 根据本公开的系统和方法提供用于监测两个基材之间的粘合接头的机械性能。在一些方面，所监测的机械性能可以包括粘合应
力或应变分布、粘合开裂、粘合剂的塑性
变形、粘合剂从基材上剥离、其组合等中的至少一种。
[0034] 有利的是，本文描述的系统和方法可以用于调整接合的基材之间的粘合接头内的功能化粘合剂的电学性能，以提供粘合接头的机械性能的标记，同时抑制对接合的基材的机械性能或改变的干扰标记。此外，在不需要直接设置在粘合接头表面上或粘合接头内的电极的情况下，抑制接合的基材的机械性能或变化的干扰标记。
[0035] 进一步，本文所述的系统和方法有利地提供了基于粘合剂和
固化后由纯粘合剂提供的机械性能来选择纯粘合剂，同时使用电监测提供了粘合接头的机械性能的有效指示。
[0036] 又进一步，本文描述的系统和方法有利地提供了对粘合接头的各个部分处的接头健康的监测，例如，以产生在空间上描述粘合接头内的机械性能的2-D或3-D分布。
[0037] 现在参考图1和图2，示出了用于监测粘合接头102的机械性能的系统100。系统100包括形成复合结构107的第一基材104、第二基材106、其间粘合接头102，以及通过粘合接头102在第一基材104和第二基材106之间传递监测信号的电极阵列108。
[0038] 第一基材104和第二基材106可以由任何期望的材料形成，以产生具有期望的机械性能的结构。第一基材104和第二基材106可以是例如金属、非金属、聚合物、复合材料、它们的组合等。第一基材104和第二基材106可以由相同的材料或不同的材料形成。第一基材104和第二基材106具有根据被选择来形成基材的一种或多种材料而改变的基材电阻率。
[0039] 粘合接头102将第一基材104附接到第二基材106。粘合接头102包括功能化粘合剂。功能化粘合剂由纯粘合剂和填料组成。
[0040] 选择纯粘合剂以形成具有高于预定粘合阈值的粘合强度的聚合物基质。可以选择第一基材104、第二基材106和纯粘合剂以产生具有期望的机械性能的复合结构107。
[0041] 填料选择性地分散在纯粘合剂中。功能化粘合剂装载有填料至少达渗透阈值，以提供具有定制电阻率的功能化粘合剂。选择填料以改性纯粘合剂的电学性能，使得功能化粘合剂以定制的电阻率导电。定制的电阻率大于基材电阻率。在一些方面，填料包括碳颗粒、碳
纳米管、碳
纳米纤维、碳
纳米线和碳纳米片、
炭黑、
铜组分、
银组分及其组合等中的至少一种。
[0042] 有利地，选择功能化粘合剂的定制电阻率，使得由监测信号指示的所得到的粘合接头102的电阻大于由监测信号指示的基材(例如，第一基材104和第二基材106)的电阻。在一些方面，粘合接头102的电阻至少比基材电阻大一个数量级(例如约10倍)。令人惊奇的是，该电阻差值隔离了监测信号以承载粘合接头102的机械性能的标记，同时抑制了对基材的机械性能的标记的干扰。在一些方面，粘合接头102的电阻比基材电阻率大至少两个数量级(例如约100倍)。令人惊奇的是，该电阻差值基本上隔离了监测信号以承载粘合接头102的机械性能的标记，同时基本上抑制了对基材的机械性能的标记的干扰。在一些方面，粘合接头102的电阻比基材电阻大至少几个数量级(例如，至少约1000倍)。令人惊奇的是，该电阻差值基本上隔离了监测信号以承载粘合接头102的机械性能的标记，同时防止了对基材的机械性能的标记的干扰。
[0043] 在一些方面，填料是功能化填料。功能化填料包括多个填料基材，其中至少一种功能聚合物从填料基材中的每一个延伸。从填料基材中的每一个延伸的功能聚合物包括分子链，其中第一端部联接到填料基材，并且第二端部远离填料基材。填充基材可以是导电的或非导电的。例如，填料基材可以是碳纳米结构、炭黑、铜组分、银组分、其组合等中的至少一种。
[0044] 选择功能聚合物以改性填料基材的电学性能。功能聚合物可以是导电的或非导电的。在一些方面，填料基材是导电的，并且功能聚合物是导电的或非导电的。在一些方面，填料基材是不导电的，并且功能聚合物是导电的。
[0045] 在一些方面，填料基材仅使用一种功能聚合物改性。在一些示例中，填料基材是碳纳米结构，并且功能聚合物是接枝到其上的导电聚合物。在一些示例中，填料基材是碳颗粒、
碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米线，或碳纳米片，并且功能聚合物是诸如甲基
丙烯酸酯的非导电聚合物。碳纳米结构的示例包括碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米线和碳纳米片。导电聚合物的示例包括聚吡咯、聚噻吩、聚(乙炔)和聚苯胺。
[0046] 在一些方面，填料基材使用多中功能聚合物改性。例如，填料基材可以利用第一功能聚合物改性以提供功能粘合剂的定制的电阻率，和利用第二功能聚合物改性以提供功能化粘合剂的其它性质。在一些方面，其它性质可以是功能化粘合剂的定制的粘度、与纯粘合剂的定制的相互作用、粘合接头102的定制强度，或功能化粘合剂的定制热性质。
[0047] 在一些方面，填料包括具有不同纵横比的组分的共混物，以调整功能化粘合剂的电学性能。填料可以包括具有第一纵横比的多个第一组分和具有第二纵横比的多个第二组分。多个第一组分和多个第二组分可以是相同的化学组成，诸如纯碳。第一纵横比为第一组分提供第一电阻率，而第二纵横比为第二组分提供第二电阻率。选择第一组分的量和第二组分的量，使得实现功能化粘合剂的期望的电学性能。在一些
实施例中，填料包括选自由碳颗粒、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米线和碳纳米片组成的群组的共混物的两种或更多种碳形式。
[0048] 在一些方面，填料是设置在聚合物基质内的功能化聚合物。在一些方面，功能化聚合物化学粘合到聚合物基质上。例如，聚合物基质和功能聚合物可以包括在功能化聚合物和聚合物基质之间提供交联的位点。在一些方面，功能化聚合物被聚合物基质物理截留。例如，功能化聚合物可以包括足够长的分子链长以抑制功能化聚合物扩散通过聚合物基质。
[0049] 有利的是，由于能够调整功能化粘合剂的性能，因此可以选择第一基材104和第二基材106以获得期望的机械性能，而不考虑基材的
导电性或电阻率。相反地，根据本公开的方面，基于所选择的基材改性和调整粘合接头102的电学性能，以克服所选择的基材材料的电学性能。此外，如果第一基材104和第二基材106中的任一个是非导电材料，则可以改性相应的基材以在设置在其上的电极和粘合接头102之间提供导电。
[0050] 电极阵列108包括设置在第一基材104和第二基材106上的预定
位置处的至少一组电极110a-d。电极阵列108内的每组电极110a-d被配置为通过粘合接头102的预定部分传递电流。传递粘合接头102的电流的电性能的测量(诸如感测
电压降或测量经历的电阻)用于提供粘合接头102的机械性能的标记。
[0051] 可以确定传递通过粘合接头102的电流的电学性能。在一些方面，通过使用感测的测量值或查找表中对应于感测的测量值的参考值计算值来确定电学性能。在一些方面，电学性能通过直接感测期望的性能来确定，诸如粘合接头102的预定部分上的电压降。
[0052] 在一些方面，使用诸如双探针测量或四探针测量之类的技术来感测粘合接头102的预定部分上的电压降。在双探针测量中，单个电极组110a-d提供通过粘合接头102的电流并感测粘合接头102上的电压降。在四探针测量中，第一组电极110a-d提供通过粘合接头102的电流，并且第二组电极110a-d感测粘合接头102上的电压降。在一些方面，第二组电极
110a-d被配置为在第一测量期间感测粘合接头102上的电压降，并且在第二测量期间提供通过粘合接头102的电流。在一些方面，第二组电极110a-d专用于感测粘合接头102上的电压降。有利地，使用第二组电极110a-d用于专用感测可以提供对粘合接头102上的电压降的更灵敏的测量，因为第二组电极不必处理传递通过其中的全部电流。所感测的电压降可以用作电流所经历的电阻的测量。
[0053] 在一些方面，电极阵列108由单个电极组110a-d组成，并且所接收的标记指示代表粘合接头102的机械性能。有利地，单个电极组110a-d可以被定位为在复合结构107的寿命期间可能被改变的位置处提供粘合接头102的机械性能的标记。
[0054] 在一些方面，电极阵列108包括多组电极110a-d，并且由每组电极110a-d接收的标记指示代表粘合接头102的相应部分的机械性能。有利地，多组电极110a-d可以被定位为在粘合接头102的多个预定部分处提供粘合接头102的机械性能的标记。例如，根据本公开的各方面，在电极阵列108内的第一组电极110a-d之间传递电流提供接头的第一预定部分的机械性能的标记，并且在电极阵列108内的第二组电极110a-d之间传递电流提供接头的第二预定部分的机械性能的标记。在一些方面，第一组电极包括第一电极110a和第二电极110b，并且第二组电极包括第三电极110c和第四电极110d。在一些方面，第一组电极包括第一电极110a和第二电极110b，第二组电极包括第一电极110a和第三电极110c。在一些方面，第一组电极包括第一电极110a和第二电极110b，第二组电极包括第一电极110a和第三电极
110c，并且第三组电极包括第三电极110c和第四电极110d。有利地，根据本公开的各方面，电极阵列108可以用于根据使用多组电极110a-d接收的标记提供粘合接头102的机械性能的3D图。
[0055] 电极110a-d的预定位置可以接近或远离粘合接头。有利地，根据本公开的各方面，迹线、通孔或基材掺杂可以用于降低由在相应电极组110a-d之间传递的电流所经历的基材电阻。迹线可以沿着第一基材104和第二基材106的一部分或全部延伸。通孔可以延伸穿过第一基材104和第二基材106的一部分或全部。基材掺杂可以包括在预定位置处利用导电颗粒(例如炭黑)掺杂第一基材104和/或第二基材106。这些预定位置设置在电极110a-d和粘合接头102之间以在其间传导电流。
[0056] 现在参考图3，示出了用于监测粘合接头102的机械性能的方法300。机械性能包括例如施加在粘合接头102上的应变。方法300包括使用粘合接头102将第一基材104附接302到第二基材106，并通过电极阵列108监测304粘合接头102的机械性能。监测304包括在第一电极110a和第二电极110b之间传递电流，测量306与第一电极110a和第二电极110b之间的电流相关联的电阻，以及响应于测量306电阻，确定308粘合接头102的机械性能的标记。
[0057] 现在参考图4，示出了用于将至少一种功能聚合物接枝到填料基材上的方法400。在一些方面，方法400包括：选择402填料基材、处理404填料基材以产生在其表面上具有多个活性基团的前体颗粒、将前体颗粒暴露406于单体溶液由此产生从填料基材表面上的活性基团延伸的多个功能性聚合物、以及当已经获得期望的分子链长度时抑制408至少一种功能性聚合物的聚合，从而产生功能性颗粒。
[0058] 虽然不受理论的限制，但是认为的是功能化粘合剂的粘度随着功能化聚合物的链长增加而增加。进一步，虽然不受理论的限制，对于比功能化聚合物更导电的填料基材，增加链长将降低所得到的粘合接头102的电阻率。更多的是，虽然不受理论限制，对于功能化聚合物具有比填料基材更大亲和力的纯粘合剂，增加链长将增加所得到的粘合接头102的机械性能。有利地，如果不期望的话，可以通过降低接枝
密度来降低这种增加。
[0059] 在一些方面，前体颗粒可以包括第一多个活性基团和第二多个活性基团。第一多个活性基团被配置为在暴露于第一单体溶液时引发所述第一功能聚合物的聚合，且第二多个活性基团被配置为在暴露于第二单体溶液时引发第二功能聚合物的聚合。在一些方面，前体颗粒同时暴露于第一单体溶液和第二单体溶液。
[0060] 虽然已经详细描述了实施本公开的最佳模式，但是本公开所涉及的领域的技术人员将认识到在所附权利要求的范围内实施本公开的各种替代设计和实施例。
