CN102564290A - 一种基于碳纳米管三维编织复合材料的健康监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于碳纳米管三维编织复合材料的健康监测方法，属于复合材料健康监测领域。本发明首先将碳纳米管传感器按不同间距和碳纤维一起编织形成三维编织复合材料，然后通过处理碳纳米管传感器的信号对三维编织复合材料进行健康监测；本发明还包括用于获取实际使用的单根碳纳米管的编织用量的步骤。本发明为实际编织提供了用量依据，同时提供了一种新的集成和分布式传感器方法，实现了全结构实时结构健康监测；本发明对碳纳米管传感器的应用给三维编织复合材料试件的健康监测提供了良好的发展前景。

Description

一种基于碳纳米管三维编织复合材料的健康监测方法

技术领域

本发明属于复合材料健康监测领域，具体涉及一种基于碳纳米管三维编织复合材料的健康监测方法。

背景技术

三维编织复合材料是由三维编织预制件增强的一种新型的复合材料。复合材料三维整体编织技术是八十年代发展起来的高新纺织技术，它具有异型件一次编织成型、结构不分层、强度高、耐烧蚀、整体性能好和结构设计灵活等特点，因而这种复合材料结构形式倍受关注。在国外，三维整体编织技术已经在航天、航空、交通、化工、体育、医疗等领域得到了广泛的应用，对三维编织复合材料的力学性能分析对于他的应用具有重要价值(请参考Li W Hammad，EI-Shiekh A.Structural analysis of 3-D braided preforms for composites，part I：The four-step，preform[J].J.Text Inst，1990，81(40)：515-537.)。

由于三维编织复合材料主要是承载材料，在承载过程中则会由于高温、高压、腐蚀、材料老化以及高空中的环境等不利因素的影响以及各种复杂载荷的联合作用产生疲劳和损伤。因此作为航天主要承载材料，在工作状态下必须建立完整的健康状态监测系统，实时监测局部损伤的发展状态，并进行定量评估，从而为材料结构的损伤检测提供准确信息，避免因复合材料结构破坏带来的巨大损失(请参考万振凯.三维编织复合材料拉伸与弯曲声发射特征分析[J].纺织学报，2007，28(4)：53-55.)。

结构健康监测(Structural Health Monitoring，SHM)依靠微观传感器对压阻效应(请参考Zhu Y，Chao C，Cheng C-H.W.A novel ionic-liquid strainsensor for large-strain applications[J].IEEE Electron DeviceLett.，2009，30(4)：337-339.)、谐振频移(请参考Chun Yu Li，Tsu Wei Chou.Strain and pressure sensing using single-walled carbon nanotubes[J].Nanotechnology，2004，15(11)：1493-1496)、压电效应(请参考Kon S.，Horowitz，R..A high-resolution MEMS piezoelectric strain sensor forstructural vibration[J].Sensors Journal，2008，8(12)：2027-2035)、电容变化(Chu，L.L.，Long Que，Gianchandani Y.B..Measurements ofmaterial properties using differential capacitive strain sensors[J].Journal of Microelectromechanical Systems，2002，11(5)：489-498)、光学性质变化(请参考Hotate，K.，Tanaka M..Distributed fiber Brillouinstrain sensing with 1-cm spatial resolution by correlation-basedcontinuous-wave technique[J].Photonics Technology Letters，2002，14(2)：179-181.)或其它方法的测量得到了很快的发展。其中，压阻式传感器用于应变测量，把应变转化成成正比的电阻变化；压电传感器是将被测量变化转化成由于材料受机械力产生的静电电荷或电压变化的传感器，是一种自发式和机电转换式传感器，能够检测各个方向的压力，压电传感器还可以作为一个传感器及执行器，同时发送和接收超声波，并可以监测大面积的均匀应变。压电传感器的优点是信噪比高且频带宽，并且在涉及低应变检测水平和高应用噪音水平的振动信号时比压阻式传感器更适合，但其信号调理十分困难。

电容式压力传感器是一种利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。它是利用导电传感将电极和电介质材料的变化转换成一个电压、频率或电容的变化脉冲宽度来进行检测。电容值与电极的受力直接相关。电容式压力传感器提供一个差分电容读出，可以用来监测应变、弹性模量以及材料的热膨胀系数。

光纤传感器是利用光导纤维的传光特性，把被测量转换成为光特性(强度、相位、偏振态、频率、波长)改变的传感器。许多光纤传感器已经被证明能有效地工作，这些光纤传感器包括微弯传感器、扭曲传感器、蚀刻传感器等。布拉格光栅光纤传感器可能是在结构一体化方面最好的，因为它提供了沿着一条光纤测量的大量低带宽应变。它可以用来测量纵向应变与表面态状态。光纤应变传感器已被证实有许多优点，但光纤传感器存在以下缺点：光纤脆性大，在处理时连接困难，而且由于有大量的纤维，在同样的位置测量不同方向的压力是很困难的，且光信号解调器成本高。

1991年日本NEC公司的饭岛纯雄(Sumio Iijima)首次利用电子显微镜观察到中空的碳纤维，其直径一般在几纳米到几十个纳米之间，长度为数微米，甚至毫米，称为“碳纳米管”。理论分析和实验观察认为它是一种由六角网状的石墨烯片卷成的具有螺旋周期管状结构(请参考Hanson G W，Current on aninfinitly-Long Carbon Nanotube Antenna Excited by a Gap Generator[J].IEEE Transactions on antennas and propagation，2006，54(1)：76-81)。

按照石墨烯片的层数，可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，单壁管典型的直径和长度分别为0.75～3nm和1～50μm。又称富勒管(Fullerenes tubes)。多壁管的典型直径和长度分别为2～30nm和0.1～50μm。

碳纳米管的抗拉强度达到50～200GPa，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级。

与传统的光纤传感器相比，碳纳米管具有耐久性好和稳定性高的优点。通过不同的复用方式，可以形成大范围，多数据的传感检测网络，特别适用在大范围分布式传感测量和复合材料的长期健康检测中。纳米材料如纳米线和纳米管，由于成本低，易于集成在三维编织复合材料制件中，可定制的连续传感器且可高度分散在大型结构中，这提供了比较可行的三维编织复合材料SHM方法。

随着三维编织技术和碳纳米管埋入方式的不断发展，碳纳米管应用在三维编织复合材料结构健康检测中将会发挥越来越重要的作用。通过对应用在高精尖技术领域的复合材料结构健康进行检测，可以从源头上杜绝材料安全隐患，大大减少突发事故对贵重设备造成损坏。

但是，在测量三维编织复合材料的SHM技术时，目前的难度在于材料密度较大、结构特征具有不同厚度或几何图形复杂。另外，由于三维编织复合材料由碳纤维一次成型，作为健康监测需在编织过程中嵌入大量的应变传感器。压阻式传感器、电容式压力传感器主要监测小范围区域的应变变化，嵌入三维编织复合编织工艺实现技术上难以实现。光纤传感器特别适合于复合材料的健康监测，由于光纤传感器的光纤很脆，不能与三维编织复合材料共同编织，进而不能做为三维编织复合材料健康监测嵌入式传感器用。它只可用于层和复合材料的健康监测。

碳纳米管的诞生，特别适合于三维编织复合材料预制件成型，碳纳米管具有耐久性和柔韧性。通过不同的复用方式，可以形成大范围，多数据的传感检测网络，易于集成在三维编织复合材料制件中，可定制的连续传感器且可高度分散在大型结构中，特别适用在大范围分布式传感测量和复合材料的长期健康检测中，并且制件的力学性能不受影响。但是到目前为止还没有合适的嵌入方式研究，也没有对三维编织复合材料预制件中所实际使用的碳纳米管长度(即编织用量)的计算方法，因而监测方法基本都是离线测试，这就直接影响了基于碳纳米管三维编织复合材料在线健康监测方法的发展。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种基于碳纳米管三维编织复合材料的健康监测方法，将碳纳米管传感器嵌入三维编织复合材料中，通过处理碳纳米管传感器的信号实现对三维编织复合材料的健康监测。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于碳纳米管三维编织复合材料的健康监测方法，所述方法首先将碳纳米管传感器按不同间距和碳纤维一起编织形成三维编织复合材料，然后通过处理碳纳米管传感器的信号对三维编织复合材料进行健康监测；

所述不同间距是指在所有行、列上每隔5根碳纤维嵌入一个碳纳米管传感器，或者在所有行、列上每隔10根碳纤维嵌入一个碳纳米管传感器，或者在所有行、列上每隔15根碳纤维嵌入一个碳纳米管传感器；为实现全面监测采用每隔5根、10根或15根碳纤维嵌入一根碳纳米管传感器，如果间距超过15则对制件不能全面监测，如果间距小于5则对制件的纤维含量有影响。

所述碳纳米管传感器包括碳纳米管和两个端线连接器，即在所述碳纳米管的两端分别连接有一个端线连接器，用于传输碳纳米管的信号；

所述方法还包括获取实际使用的单根碳纳米管的编织用量的步骤，具体如下：

(1)计算所述预制件中编织纱线的总根数

N＝mn+m+n    (1)

(2)计算碳纳米管的数量

其中，N为预制件中编织纱线的总根数，主体携纱器排布成m行和n列；

假设碳纳米管的间距为K，则碳纳米管的数量为：

C＝N/K    (2)

(3)计算单根碳纳米管的长度L

表面编织角α和内部编织角γ之间的关系为：

$\mathrm{\γ}=\mathrm{arctg}\left(2\sqrt{2}\mathrm{tg\α}\right)---\left(3\right)$

已知三维编织预制件的表面编织角α，预制件总长度H，纤维束细度一定，则可以计算单根碳纳米管的长度L为：

$L=\frac{H}{\cos \mathrm{\γ}}---\left(4\right)$

对于内部碳纳米管而言，一次编织循环用纱量为L_I，1：

$L_{I,1}=\frac{h}{\cos \mathrm{\γ}}---\left(5\right)$

其中，h为花节长度，当经过i次编织循环后，预制件长度为H；

则一个编织循环中，碳纳米管的总长度L_S，I，1为：

$L_{S,I,1}=\mathrm{mn}\frac{h}{\cos \mathrm{\γ}}---\left(6\right)$

同理，对于表面纤维束而言，一次编织用纱量为L_O，1：

$L_{O,1}=\frac{h}{\cos \mathrm{\α}}---\left(7\right)$

则一个编织循环中，表面碳纳米管总长度为L_S，O，1：

$L_{S,O,1}=(m+n)\frac{h}{\cos \mathrm{\α}}---\left(8\right)$

这样，编织一个花节长度用纱总量L_S，1为：

$L_{S,1}=L_{S,I,1}+L_{S,O,1}=\mathrm{mn}\frac{h}{\cos \mathrm{\γ}}+(m+n)\frac{h}{\cos \mathrm{\α}}---\left(9\right)$

所以i次循环后，预制件长度为H，总用纱量L_S为：

$L_s=i\·L_{S,1}=\mathrm{mn}\frac{H}{\cos \mathrm{\γ}}+(m+n)\frac{H}{\cos \mathrm{\α}}---\left(10\right)$

则需要单根碳纳米管长度L为：

$L=\frac{L_S}{\mathrm{mn}+m+n}=P_I\·\frac{H}{\cos \mathrm{\γ}}+P_O\·\frac{H}{\cos \mathrm{\α}}---\left(11\right)$

(11)式中，P_I为内部纤维束占纤维束总量的百分率，P_O为表面纤维束占纤维束总量的百分率：

$P_I=\frac{\mathrm{mn}}{\mathrm{mn}+m+n}---\left(12\right)$

$P_O=\frac{m+n}{\mathrm{mn}+m+n}---\left(13\right)$

(4)计算实际单根碳纳米管的编织用量

在实际编织过程中，因为存在编织余量及纤维束与张力控制线的连接，所以在计算长度上要加50mm，即实际单根碳纳米管的编织用量＝单根碳纳米管长度L+50(mm)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)碳纳米管传感器较其它传感器具有容易嵌入的优点，碳纳米管在承载过程中，具有较好的线性；嵌入碳纳米管传感器的三维编织复合材料试件对力学性能影响很小；

(2)本发明给出了获取实际使用的单根碳纳米管的编织用量的具体步骤，这个数据可以用于计算碳纳米管的电阻，为应变计算提供了基础；

(3)本发明的内置碳纳米管传感器提供了一种分布式传感器方法，实现了全结构实时结构健康监测；同时，本发明给出了一种适合碳纳米管传感器编织而对制件力学性能影响较小的嵌入方式。在此基础上，可以在不同承载(拉伸、压缩)情况下，制件变形与嵌入传感器的特性。依据多物理量检测技术和相关分析理论探索最佳传感器网络布局，并分析温度、编织工艺对监测系统的影响，也为进一步研究传感器的信号提取奠定基础。

附图说明

图1是本发明实施例中三维编织复合材料的编织工艺示意图。

图2是本发明是图1中X-Y平面上的预制件编织过程图。

图3是本发明实施例中三维编织复合材料预制件的参数示意图。

图4是本发明实施例中三维编织复合材料预制件的长度和花节长度的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

为实现三维编织复合材料制件的健康监测，把碳纳米管传感器与碳纤维一起编织，这样能全面实现制件检测，编织方法可以采用二步法、四步法或多步法。以四步法1×1方型编织为例，如图1所示。在编织机底盘上，主体携纱器排布成m行和n列的主体阵列，附加携纱器间隔排列在主体阵列的周围，携纱器在X和Y方向上运动。在编织布线时，编织机所有行、列每隔一定间距设置一个碳纳米管传感器。图1所示的实施例是每隔5个碳纤维纱放置一个碳纳米管传感器，其中，1-1表示预制件，1-2表示X-Y平面，1-3表示碳纤维，1-4表示平面，1-5表示碳纳米管。碳纳米管传感器就是碳纳米管加上两个端线连接器。

图2给出的是图1中X-Y平面上的预制件编织过程图，原始状态如图2-1所示，编织第一步如图2-2所示，相邻行中的携纱器沿X方向相互错动一个动程；编织第二步如图2-3所示，相邻列中的携纱器沿Y方向相互错动一个动程；编织第三步如图2-4所示，编织第四步如图2-5所示，携纱器的运动方向分别与第一步和第二步的相反。图2-3和2-5中带有箭头表示推力位置，带有箭头的长方形小框是携纱器轨迹。

获取实际使用的单根碳纳米管的编织用量的步骤具体如下：

预制件中编织纱线的总根数为N(请参考陈利，李嘉禄，李学明.三维编织中纱线的运动规律分析[J].复合材料学报，Vol.19 No.2002，19(2)：71-74.CHEN Li，LI Jia-lu，LI Xue-ming.Analysis of the yarnmovement 3D braids[J].Acta Materiae Compositae Sinica.)，

N＝mn+m+n           (1)

假设碳纳米管的间距为K，则碳纳米管的数量为：

C＝N/K    (2)

三维编织复合材料是由三维编织预制件增强的一种新型复合材料。三维编织复合材料预制件表面编织角是重要的结构参数之一，表面编织角是编织纱线在表面沿织物成形方向的夹角，如图3中的α角。

表面编织角α和内部编织角γ之间的关系为：

$\mathrm{\γ}=\mathrm{arctg}\left(2\sqrt{2}\mathrm{tg\α}\right)---\left(3\right)$

已知三维编织预制件的表面编织角α，预制件总长度H，纤维束细度一定，则可以计算单根碳纳米管的长度L为：

$L=\frac{H}{\cos \mathrm{\γ}}---\left(4\right)$

为了精确计算用纱量L(即单根碳纳米管的长度L)，需已知主体纱m与n的数目。如图4所示，h为花节长度，当经过i次编织循环后，预制件长度为H。对于内部碳纳米管而言，一次编织循环用纱量为L_I，1：

$L_{I,1}=\frac{h}{\cos \mathrm{\γ}}---\left(5\right)$

则一个编织循环中，碳纳米管的总长度L_S，I，1为：

$L_{S,I,1}=\mathrm{mn}\frac{h}{\cos \mathrm{\γ}}---\left(6\right)$

同理，对于表面纤维束而言，一次编织用纱量为L_O，1：

$L_{O,1}=\frac{h}{\cos \mathrm{\α}}---\left(7\right)$

则一个编织循环中，表面碳纳米管总长度为L_S，O，1：

$L_{S,O,1}=(m+n)\frac{h}{\cos \mathrm{\α}}---\left(8\right)$

这样，编织一个花节长度用纱总量L_S，1为：

$L_{S,1}=L_{S,I,1}+L_{S,O,1}=\mathrm{mn}\frac{h}{\cos \mathrm{\γ}}+(m+n)\frac{h}{\cos \mathrm{\α}}---\left(9\right)$

所以i次循环后，预制件长度为H，总用纱量L_S为：

$L_s=i\·L_{S,1}=\mathrm{mn}\frac{H}{\cos \mathrm{\γ}}+(m+n)\frac{H}{\cos \mathrm{\α}}---\left(10\right)$

则需要单根碳纳米管长度L为：

$L=\frac{L_S}{\mathrm{mn}+m+n}=P_I\·\frac{H}{\cos \mathrm{\γ}}+P_O\·\frac{H}{\cos \mathrm{\α}}---\left(11\right)$

(11)式中，P_I为内部纤维束占纤维束总量的百分率，P_O为表面纤维束占纤维束总量的百分率。

$P_I=\frac{\mathrm{mn}}{\mathrm{mn}+m+n}---\left(12\right)$

$P_O=\frac{m+n}{\mathrm{mn}+m+n}---\left(13\right)$

在实际编织过程中，因为存在编织余量及纤维束与张力控制线的连接，所以在计算长度上要加50mm，即

实际单根碳纳米管的编织用量＝计算长度L+50(mm)

通过本发明的方法计算出碳纳米管的长度可以用于计算碳纳米管的电阻，为应变计算提供了基础。同时，本发明为将内置碳纳米管传感器应用于复合材料制件的健康监测提供了一种新的综合和分布式方法，为先进智能复合材料的研发与应用提供了依据。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (1)

1.一种基于碳纳米管三维编织复合材料的健康监测方法，其特征在于：

所述方法首先将碳纳米管传感器按不同间距和碳纤维一起编织形成三维编织复合材料，然后通过处理碳纳米管传感器的信号对三维编织复合材料进行健康监测；

所述不同间距是指在所有行、列上每隔5根碳纤维嵌入一个碳纳米管传感器，或者在所有行、列上每隔10根碳纤维嵌入一个碳纳米管传感器，或者在所有行、列上每隔15根碳纤维嵌入一个碳纳米管传感器；

所述碳纳米管传感器包括碳纳米管和两个端线连接器，即在所述碳纳米管的两端分别连接有一个端线连接器，用于传输碳纳米管的信号；

所述方法还包括用于获取实际使用的单根碳纳米管的编织用量的步骤，具体如下：

(1)计算所述预制件中编织纱线的总根数

N＝mn+m+n    (1)

(1)式中，N为预制件中编织纱线的总根数，m为主体携纱器排布的行数，n为主体携纱器排布的列数；

(2)计算碳纳米管的数量

假设碳纳米管的间距为K，则碳纳米管的数量C为：

C＝N/K    (2)

(3)计算单根碳纳米管的长度L

表面编织角α和内部编织角γ之间的关系为：

$\mathrm{\γ}=\mathrm{arctg}\left(2\sqrt{2}\mathrm{tg\α}\right)---\left(3\right)$

已知三维编织预制件的表面编织角α，预制件总长度H，纤维束细度一定，

则可以计算单根碳纳米管的长度L为：

$L=\frac{H}{\cos \mathrm{\γ}}---\left(4\right)$

对于内部碳纳米管而言，一次编织循环用纱量为L_I，1：

$L_{I,1}=\frac{h}{\cos \mathrm{\γ}}---\left(5\right)$

其中，h为花节长度，当经过i次编织循环后，预制件长度为H；

则一个编织循环中，碳纳米管的总长度L_S，I，1为：

$L_{S,I,1}=\mathrm{mn}\frac{h}{\cos \mathrm{\γ}}---\left(6\right)$

同理，对于表面纤维束而言，一次编织用纱量为L_O，1：

$L_{O,1}=\frac{h}{\cos \mathrm{\α}}---\left(7\right)$

则一个编织循环中，表面碳纳米管总长度为L_S，O，1：

$L_{S,O,1}=(m+n)\frac{h}{\cos \mathrm{\α}}---\left(8\right)$

这样，编织一个花节长度用纱总量L_S，1为：

$L_{S,1}=L_{S,I,1}+L_{S,O,1}=\mathrm{mn}\frac{h}{\cos \mathrm{\γ}}+(m+n)\frac{h}{\cos \mathrm{\α}}---\left(9\right)$

所以i次循环后，预制件长度为H，总用纱量L_S为：

$L_s=i\·L_{S,1}=\mathrm{mn}\frac{H}{\cos \mathrm{\γ}}+(m+n)\frac{H}{\cos \mathrm{\α}}---\left(10\right)$

则需要单根碳纳米管长度L为：

$L=\frac{L_S}{\mathrm{mn}+m+n}=P_I\·\frac{H}{\cos \mathrm{\γ}}+P_O\·\frac{H}{\cos \mathrm{\α}}---\left(11\right)$

(11)式中，P_I为内部纤维束占纤维束总量的百分率，P_O为表面纤维束占纤维束总量的百分率：

$P_I=\frac{\mathrm{mn}}{\mathrm{mn}+m+n}---\left(12\right)$

$P_O=\frac{m+n}{\mathrm{mn}+m+n}---\left(13\right)$

(4)计算实际使用的单根碳纳米管的编织用量

实际使用的单根碳纳米管的编织用量＝单根碳纳米管长度L+50(mm)。

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