CN102555227A - 一种复合材料制件结构非干涉监测冲击威胁的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合材料功能化技术领域，涉及一种复合材料制件结构非干涉监测冲击威胁的方法。该方法在完全不影响复合材料结构性能的前提下，在复合材料制品的结构非干涉区域内埋入功能化的动态传感光栅光纤，从而可以全寿命、低成本地在线监测复合材料型材或制品是否遭受冲击，以及遭受冲击的位置，提高此类复合材料或制品在关键应用场合的结构安全警戒水平，以及冲击损伤的实时可检性和结构可靠性。

Description

一种复合材料制件结构非干涉监测冲击威胁的方法

技术领域

本发明属于复合材料功能化技术领域，涉及一种复合材料制件结构非干涉监测冲击威胁的方法。

背景技术

就叠层复合材料(复合材料层压板)的性能而言，冲击损伤阻抗与冲击损伤容限是目前已知的最重要的结构性能指标，这是因为在叠层复合材料受到意外冲击、特别是小尺寸近刚性异物低速冲击时，复合材料内部通常会出现分层损伤，从而严重降低其力学性能和结构的安全性与可靠性。对于这种分层损伤，现有的方法是必须通过复杂的无损监测才能发现，这种方法对于已在外场服役的复合材料制件的灵活性及便捷性差，因此，提高复合材料的冲击损伤阻抗与容限，发展结构受到冲击威胁的简便监测方法，提高结构的可靠性受到国内外高性能复合材料界的广泛关注。尤其在外场，人们很难对复合材料结构是否遭受了冲击、以及被冲击的位置和强度、特别是冲击事件对结构安全的后果做出及时的判断。

国内外利用光纤光栅传感器监测复合材料结构的应力、应变状态的技术统称为复合材料“结构健康监测”(Structure Health Monitoring，简称SHM)技术，国内外已有较多的参考专利。但是由于光栅光纤在几何尺寸及物性上与结构复合材料增强用纤维的巨大差异，埋入在高性能结构复合材料铺层里的光栅光纤会严重降低复合材料的结构性能，产生所谓“结构干涉”效应，因此，在结构性能分析上，埋入的光栅光纤通常被处理为“缺陷”。

为了解决这个问题，发明专利申报“一种可兼传感功能的编织预制复合材料填充带及其制备技术”(申报人：益小苏，安学锋，崔海超，刘刚，北京航空材料研究院，2010年)提出一种复合材料编织预制技术以及编织预制填充带的结构形状与尺寸的标准化设计，这种编织预制材料可以包裹光栅光纤进行保护，然后被填入复合材料，实现对复合材料结构的结构健康监测。

但该专利的特征是界定光栅光纤采用编织带的形式放入复合材料T型接头的双边或单边“三角区”，即复合材料结构非干涉区域的一个。而事实上，在复合材料设计过程中，结构非干涉区域不仅有以上专利中所涉及的“三角区”，还包括制件面板与桁条的衔接区、面板与腹板的衔接区、填充材料与承力材料的过渡区、预制镶嵌件与主结构的过渡区、厚度过渡填充区和非承力的自由边等多种形式，而将功能性光纤埋放进这些区域，亦在线监测复合材料制件在服役状态下遭受的异物低速冲击的威胁并进行定位，能实现复合材料的在线监测。

发明内容

本发明的目的是：提出一种复合材料制件结构非干涉监测冲击威胁的方法，该方法可在不影响复合材料制件的性能和功能的前提下，在复合材的结构非干涉区域埋入功能性的光栅光纤或编码光栅光纤，在线监测复合材料制件在服役状态下遭受的异物低速冲击的威胁并进行定位，从而警戒冲击给复合材料制件造成的可能的损伤和安全隐患，提高复合材料制件在外场使用的安全警戒水平以及损伤的实时可检性和结构可靠性。

本发明的技术方案是：非干涉监测冲击威胁方法的制备步骤如下：

(1)准备连续光纤，进行表面物理和/或化学改性处理；

(2)将处理后的光栅光纤同轴地混入填充用连续碳纤维束，或包裹进其它形式的连续碳纤维填充物里，得到干态混合纤维束；

(3)将干态混合纤维束浸渍液态树脂或胶液，制备成预浸的混合纤维束，预浸混合纤维束的树脂重量百分数为20％至50％；或在干态混合纤维束上粘附定型剂，定型剂的重量百分数为2％至20％；

(4)按复合材料制件的固有成型要求对结构非干涉区域进行填充，填充物替换为内含光栅光纤的纤维束，光纤所占的面积百分比为1％至60％；非干涉区域包括制件面板与桁条的衔接区、面板与腹板的衔接区、填充材料与承力材料的过渡区、预制镶嵌件与主结构的过渡区、厚度过渡填充区和非承力的自由边；填充材料包括蜂窝材料和泡沫材料；

(5)将暴露于制件外的光纤两端用金属材料或高分子材料进行保护；

(6)复合材料制件按原有工艺固化成型，得到在结构非干涉区域内埋入了连续光纤而可以监测复合材料结构冲击威胁的复合材料制件。

所述的埋入结构非干涉区域的感知功能性光纤是光栅光纤或编码光栅光纤。

本发明具有的优点和有益效果是：针对高性能复合材料层压板型材或制件最具威胁的异物低速冲击事件，不需了解复合材料结构的全部应力、应变状态而聚焦于监测制件是否遭受了冲击及冲击发生的位置和冲击能量的大小，巧妙地将动态传感光栅光纤或编码光栅光纤埋入结构非干涉的衔接区和过渡区，赋予原先无知觉的关键复合材料制件以冲击感知功能，提升了关键产品的冲击警戒水平和技术价值，实现关键复合材料产品的结构-功能一体化。

在航空航天结构用复合材料中，结构非干涉的衔接区和过渡区普遍存在。如大量碳纤维复合材料结构件，它们可以归类并被抽象为一些加墙或加筋或加肋或加帽或以上四种加强形式与面板的组合，这些组合一般都会存在一个或多个衔接区。再如，为了减轻结构重量优化涉及，需要使用一些诸如蜂窝和泡沫的填充材料，而这些填充材料与承力组件间也有过渡区。再如，为了实现复合材料制件与某些金属结构的连接，或赋予复合材料某种特定的功能，需要使用预制的镶嵌件，而这些预制的镶嵌件与主结构制件也有过渡区。还有为了实现复合材料构件的等强度设计，避免应力集中，会采用厚度过渡的设计，而这种设计也存在过渡区。除此之外，还有一些为了保证结构完整性而设计的非承力或承力极小的自由边。

以上所提到的衔接区和过渡区，其部分或全部其实是对结构承力贡献很小，这种过渡区可被认定为结构非干涉的衔接区或过渡区。从制备工艺上讲，这些结构非干涉的衔接区和过渡区一般采用与主体结构所用材料相似的材料进行填充处理。本发明的出发点即利用这种结构非干涉的填充处理。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。本发明一种复合材料制件结构非干涉监测冲击威胁的方法，(1)准备连续光纤，进行表面物理和/或化学改性处理；

(2)将处理后的光栅光纤同轴地混入填充用连续碳纤维束，或包裹进其它形式的连续碳纤维填充物里，得到干态混合纤维束；

(3)将干态混合纤维束浸渍液态树脂或胶液，制备成预浸的混合纤维束，预浸混合纤维束的树脂重量百分数为20％至50％；或在干态混合纤维束上粘附定型剂，定型剂的重量百分数为2％至20％；

(4)按复合材料制件的固有成型要求对结构非干涉区域进行填充，填充物替换为内含光栅光纤的纤维束，光纤所占的面积百分比为1％至60％；非干涉区域包括制件面板与桁条的衔接区、面板与腹板的衔接区、填充材料与承力材料的过渡区、预制镶嵌件与主结构的过渡区、厚度过渡填充区和非承力的自由边；填充材料包括蜂窝材料和泡沫材料；

(5)将暴露于制件外的光纤两端用金属材料或高分子材料进行保护；

(6)复合材料制件按原有工艺固化成型，得到在结构非干涉区域内埋入了连续光纤而可以监测复合材料结构冲击威胁的复合材料制件。

该发明通过在复合材料制件结构非干涉的过渡区或衔接区埋入功能化的光栅光纤或编码光栅光纤，建立合适的界面结合，使复合材料制件在遭受冲击时，能够将冲击波信号传递给光栅光纤传感器，从而使原先“无知觉”的复合材料制件附加了冲击威胁感知和监测功能。视复合材料结构的不同，填充埋入在结构非干涉的过渡区或衔接区内的光纤的光栅密度可调，从而可以实现冲击事件的定位和冲击能量的标定与评估。

下面通过实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

在CCF300/5228A热压罐二次胶接成型的加筋面板的筋条与底板衔接区埋入光栅光纤，实现面板的冲击威胁感知功能。其具体步骤为：

(1)选取五根直径为100μm的光栅光纤，光栅的栅距为100mm，将其浸泡在丙酮中4h，去除残留在光栅光纤表面的污染物后并在真空烘箱中80℃处理2h待用；

(2)将待用的五根光栅光纤拉直后卷入CCF300/5228A预浸料，形成加筋面填充区的填充料，填充料的理论纤维体积份数为(60±3)％，同时在外露的光纤上添加内腔直径大于150μm的聚四氟乙烯保护套；

(3)将(2)中的填充料与加强筋一次固化后采用SY-14高温胶膜二次胶接后即形成具有冲击威胁感知功能加筋面板；

(4)去除光纤光栅的聚四氟乙烯保护套，将外露的光栅光纤与调制解调器进行焊接，并经冲击测试，该面板可以监测到冲击能量大于30J的冲击事件。

实施例2：

在T700/5228E共固化成型的加帽型壁板的非对称衔接区埋入光栅光纤，实现壁板的冲击威胁感知功能。其具体步骤为：

(1)选取六根直径为125μm的光栅光纤，光栅的栅距为85mm，将其浸泡在丙酮中4h，去除残留在光栅光纤表面的污染物后并在真空烘箱中80℃处理2h待用；

(2)将待用的六根光栅光纤拉直后采用专用模具卷入T700/5228E预浸料，形成加筋面填充区的填充料，填充料的理论纤维体积份数为(60±3)％，同时在外露的光纤上添加内腔直径大于200μm的聚四氟乙烯保护套；

(3)将(2)中的填充料与帽型加强筋及面板经120℃/60min预固化后进行组装，在模具保证下然后经180℃/120min共固化，形成具有冲击威胁感知功能加帽型筋壁板；

(4)去除光纤光栅的聚四氟乙烯保护套，将外露的光栅光纤与调制解调器进行焊接，并经冲击测试，该壁板的加筋背面可以监测到冲击能量大于25J的冲击事件，加筋面可监测到冲击能量大于30J的冲击事件。

实施例3：

在T800/5228A共胶结成型的组合加筋壁板的非对称及对称衔接区埋入光栅光纤，实现壁板的冲击威胁感知功能。其具体步骤为：

(1)选取三根直径为100μm的光栅光纤，光栅的栅距为70mm，将其浸泡在丙酮中4h，去除残留在光栅光纤表面的污染物后并在真空烘箱中80℃处理2h待用；

(2)将三根待用的光栅光纤拉直后采用专用模具卷入T800/5228A预浸料，形成L形长桁及T形第2和第3墙的填充区的填充料，填充料的理论纤维体积份数为(60±3)％，同时在外露的光纤上添加内腔直径大于150μm的聚四氟乙烯保护套；

(3)将(2)中的填充料与L形长桁及T形第2和第3墙经120℃/60min预固化后再与未预固化的面板进行组装，在模具保证下然后经180℃/120min共固化，形成具有冲击威胁感知功能的组合加强壁板；

(4)去除光纤光栅的聚四氟乙烯保护套，将外露的光栅光纤与调制解调器进行焊接，并经冲击测试，该壁板的加筋背面可以监测到冲击能量大于30J的冲击事件，加筋面可监测到冲击能量大于30J的冲击事件，且可以分辨冲击的位置。

实施例4：

在U3160/6421RTM成型工字梁的过渡区埋入光栅光纤，实现工字梁的冲击威胁感知功能。其具体步骤为：

(1)选取两根直径为100μm的光栅光纤，光栅的栅距为100mm，将其浸泡在丙酮中4h后，利用环氧基硅烷偶联剂KH-560的丙酮溶液(25％wt)对其进行表面处理，在硅烷偶联剂溶液中浸泡时间为2h，再在真空烘箱中80℃处理2h待用；

(2)在两根待用光纤光栅的表面涂覆与6421树脂匹配的定型剂EST-541，并与已经涂覆了定型剂的U3160织物进行热粘合，形成过渡区填充物，填充物的理论纤维体积份数为(55±5)％；同时在外露的光纤上添加内腔直径大于150μm的铜护套；

(3)将(2)中的填充料与工字梁的上下缘条及腹板的预成型体在模具的辅助下组合成预成型体，并进行RTM注射，按6421树脂的预定固化工艺进行固化获得具有冲击威胁感知功能的RTM工字梁；

(4)去除光栅的铜保护套，将外露的光栅光纤与调制解调器进行焊接，并经冲击测试，该工字梁可以监测到冲击能量大于30J的冲击事件，并可确定冲击的位置距过渡区的距离。

实施例5：

在G0827/5284RTM成型变厚度工字梁的过渡区埋入光栅光纤，实现变厚度工字梁的冲击威胁感知功能。其具体步骤为：

(1)选取直径为100μm的光栅光纤，光栅的栅距为工字梁变厚度的距离，即50mm+80mm+100mm+100mm，将其浸泡在丙酮中4h后，利用环氧基硅烷偶联剂KH-560的丙酮溶液(25％wt)对其进行表面处理，在硅烷偶联剂溶液中浸泡时间为2h，再在真空烘箱中80℃处理2h待用；

(2)在待用光纤光栅的表面涂覆与5284树脂匹配的定型剂ET-5284，并与已经涂覆了定型剂的G0827织物进行热粘合，形成过渡区填充物，填充物的理论纤维体积份数为(55±5)％；同时在外露的光纤上添加内腔直径大于110μm的铜护套；

(3)将(2)中的填充料与变厚度工字梁的上下缘条及腹板的预成型体在模具的辅助下组合成预成型体，并进行RTM注射，按5284树脂的预定固化工艺进行固化获得具有冲击威胁感知功能的RTM工字梁；

(4)去除光栅的铜保护套，将外露的光栅光纤与调制解调器进行焊接，并经冲击测试，该工字梁可以监测到冲击能量大于30J的中击事件，并可确定冲击的位置距过渡区的距离。

实施例6：

在G803/3266RTM成型带C形和工字形墙的多腔盒段的过渡区埋入光栅光纤，实现多腔盒段的冲击威胁感知功能。其具体步骤为：

(1)选取直径为100μm的光栅光纤，光栅的栅距为工字梁变厚度的距离，即50mm+80mm+100mm+100mm，将其浸泡在丙酮中4h后，利用环氧基硅烷偶联剂KH-560的丙酮溶液(15％wt)对其进行表面处理，在硅烷偶联剂溶液中浸泡时间为5h，再在真空烘箱中80℃处理2h待用；

(2)在待用光纤光栅的表面涂覆与3266树脂匹配的定型剂EST-321，并采用编织的方法将光纤和T300-3K纤维编织成截面与盒段对称过渡区和非对称过渡区相同的辫子，形成过渡区填充物，填充物的理论纤维体积份数为(55±5)％；同时在外露的光纤上添加内腔直径大于150μm的铜护套；

(3)将(2)中的填充料C形及工字形墙及上下面板预成型体在模具的辅助下组合成预成型体，并进行RTM注射，按3266树脂的预定固化工艺进行固化获得具有冲击威胁感知功能的RTM多墙盒段；

(4)去除光栅的铜保护套，将外露的光栅光纤与调制解调器进行焊接，并经冲击测试，该工字梁可以监测到冲击能量大于25J的冲击事件，并可确定冲击的位置距过渡区的距离。

实施例7：

在CF3031/5284VARI成型泡沫夹芯壁板的过渡区埋入光栅光纤，实现泡沫夹芯壁板的冲击威胁感知功能。其具体步骤为：

(1)选取八根直径为125μm的光栅光纤，光栅的栅距为90mm+50mm+90mm，将其浸泡在丙酮中4h后，利用环氧基硅烷偶联剂KH-560的丙酮溶液(25％wt)对其进行表面处理，在硅烷偶联剂溶液中浸泡时间为2h，再在真空烘箱中80℃处理2h待用；

(2)在待用光纤光栅的表面涂覆与5284树脂匹配的定型剂ET-5284，并与已经涂覆了定型剂的CF3031织物进行热粘合，形成过渡区填充物，填充物的理论纤维体积份数为(55±5)％；同时在外露的光纤上添加内腔直径大于110μm的聚四氟乙烯护套；

(3)将(2)中的填充料埋入夹芯泡沫与主结构的过渡区并形成整体预制体，进行VARI吸注，按5284树脂的预定固化工艺进行固化获得具有冲击威胁感知功能的VARI泡沫夹芯壁板；

(4)去除光栅的铜保护套，将外露的光栅光纤与调制解调器进行焊接，并经冲击测试，该工字梁可以监测到冲击能量大于40J的冲击事件，并可确定冲击的位置距过渡区的距离。

Claims (2)

1.一种复合材料制件结构非干涉监测冲击威胁的方法，其特征在于，制备的步骤如下：

(1)准备连续光纤，进行表面物理和/或化学改性处理；

(2)将处理后的光栅光纤同轴地混入填充用连续碳纤维束，或包裹进其它形式的连续碳纤维填充物里，得到干态混合纤维束；

(3)将干态混合纤维束浸渍液态树脂或胶液，制备成预浸的混合纤维束，预浸混合纤维束的树脂重量百分数为20％至50％；或在干态混合纤维束上粘附定型剂，定型剂的重量百分数为2％至20％；

(4)按复合材料制件的固有成型要求对结构非干涉区域进行填充，填充物替换为内含光栅光纤的纤维束，光纤所占的面积百分比为1％至60％；非干涉区域包括制件面板与桁条的衔接区、面板与腹板的衔接区、填充材料与承力材料的过渡区、预制镶嵌件与主结构的过渡区、厚度过渡填充区和非承力的自由边；填充材料包括蜂窝材料和泡沫材料；

(5)将暴露于制件外的光纤两端用金属材料或高分子材料进行保护；

(6)复合材料制件按原有工艺固化成型，得到在结构非干涉区域内埋入了连续光纤而可以监测复合材料结构冲击威胁的复合材料制件。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料制件结构非干涉监测冲击威胁的方法，其特征在于，埋入结构非干涉区域的感知功能性光纤是光栅光纤或编码光栅光纤。