CN110736669B

CN110736669B - 一种基于压电纤维的碳纤维增强复合材料冲击检测方法

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Publication number: CN110736669B
Application number: CN201911043065.3A
Authority: CN
Inventors: 程晓颖; 钱奕恺; 吴震宇; 胡旭东
Original assignee: Zhejiang Sci Tech University ZSTU
Current assignee: Zhejiang Sci Tech University ZSTU
Priority date: 2019-10-30
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2022-02-22
Anticipated expiration: 2039-10-30
Also published as: CN110736669A

Abstract

本发明涉及一种基于压电纤维的碳纤维增强复合材料冲击检测方法，包括如下步骤：1)，制备压电纤维；2)，将压电纤维和碳纤维编织形成织物，并对织物固化成为复合材料圆管；3)，将复合材料圆管水平放置并用夹具固定；压电纤维内铜丝接电荷放大器测量端，复合材料圆管内碳纤维作为公共端，各路放大电压用数据采集卡实时测量；4)，冲击锤落下，对复合材料圆管产生冲击，复合材料圆管产生形变，对应方向上的压电纤维形变产生压电效应；压电效应产生电压与形变成正比，通过电荷放大器、数据采集卡，并在计算机上读取数据，实现对冲击的检测。本发明能够在保证不影响碳纤维增强复合材料力学性能的前提下，实现对碳纤维增强复合材料的冲击检测。

Description

一种基于压电纤维的碳纤维增强复合材料冲击检测方法

【技术领域】

本发明涉及一种材料的冲击检测方法，具体涉及一种基于压电纤维的碳纤维增强复合材料冲击检测方法，属于材料性能检测技术领域。

【背景技术】

碳纤维增强复合材料具有很好的机械性能，在许多领域有着广泛的应用。然而在实际应用中，几乎看不见的冲击损伤仍然是一个问题。复合材料在使用过程中经常受到低速冲击，导致力学强度降低，容易产生冲击损伤。如果不能及时发现并修复损坏，可能会导致灾难性的后果。

为了解决这一问题，人们发展了许多无损检测方法。一些无损检测方法在应用中仍然存在问题。比如，光纤可用于结构检测，但需要额外的设备来生成和分析信号。

因此，为解决上述问题，确有必要提供一种创新的基于压电纤维的碳纤维增强复合材料冲击检测方法，以克服现有技术中的所述缺陷。

【发明内容】

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于压电纤维的碳纤维增强复合材料冲击检测方法，其能够在保证不影响碳纤维增强复合材料力学性能的前提下，实现对碳纤维增强复合材料的冲击检测。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于压电纤维的碳纤维增强复合材料冲击检测方法，其包括如下工艺步骤：

1)，制备压电纤维；

2)，将压电纤维和碳纤维进行编织形成织物，并对织物进行固化，成为复合材料圆管；

3)，将复合材料圆管水平放置并用夹具固定；压电纤维内铜丝接电荷放大器测量端，复合材料圆管内碳纤维作为公共端，各路放大电压用数据采集卡实时测量；

4)，冲击锤落下，对复合材料圆管产生冲击，复合材料圆管产生形变，对应方向上的压电纤维受形变产生压电效应；压电效应产生的电压与形变成正比，通过电荷放大器、数据采集卡，并在计算机上读取数据，实现对冲击的有效检测。

本发明的基于压电纤维的碳纤维增强复合材料冲击检测方法进一步为：步骤1)中，其采用一种压电纤维制备装置，该装置包括支架、铜质针头、压电聚合物溶液、漆包线以及铜环；其中，所述铜质针头与铜环固定在支架上；所述铜质针头中空，其内注入压电聚合物溶液；所述铜质针头中间穿过漆包线，漆包线从铜质针头口穿出并经过铜环。

本发明的基于压电纤维的碳纤维增强复合材料冲击检测方法进一步为：步骤1)的压电纤维具体制备方法如下：

1-1)，铜质针头通正电压，漆包线接地，在压电聚合物溶液中形成从铜质针头指向漆包线的电场，电场会改变压电聚合物溶液的润湿性；

1-2)，漆包线沿着铜质针头方向缓慢牵引，在牵引力与针头挤压共同作用下，能使压电聚合物溶液附着在漆包线的绝缘表面上；

1-3)，被牵引出铜质针头的漆包线进入铜环，在铜环上继续施加正电压，形成从铜环指向漆包线的电场，在电场与牵引力的共同作用下，形成更薄更均匀的压电聚合物层，最终得到所需的压电材料。

本发明的基于压电纤维的碳纤维增强复合材料冲击检测方法进一步为：所述压电聚合物溶液采用DMF做溶剂，压电聚合物做溶质，溶质质量含量为25％；所述漆包线直径0.3mm，表面包覆聚酰亚胺0.02mm。

本发明的基于压电纤维的碳纤维增强复合材料冲击检测方法进一步为：所述步骤1-1)的铜质针头接1000V电压；所述步骤1-3)铜环上施加4000V电压。

本发明的基于压电纤维的碳纤维增强复合材料冲击检测方法进一步为：步骤2)中，其采用一种三维编织装置，该装置包括芯轴和导向环；所述芯轴保持压电纤维与碳纤维的张紧，并确定织物形状并固定织物的位置；所述压电纤维与碳纤维通过导向环在芯轴表面进行编织。

本发明的基于压电纤维的碳纤维增强复合材料冲击检测方法进一步为：步骤2)的织物具体编织方法如下：芯轴缓慢向右方移动，压电纤维与碳纤维从芯轴的右端开始编织，芯轴移动带动压电纤维与碳纤维在芯轴表面进行编织；碳纤维作为纬纱和经纱，纬纱和经纱分别沿轴的两个方向旋转，保证经纱和纬纱交错编织。压电纤维作为轴纱不旋转，沿轴向编入织物。编织完成后，在芯轴表面抽出织物。

本发明的基于压电纤维的碳纤维增强复合材料冲击检测方法还可为：所述碳纤维具有一定的编织角，而压电纤维编织方向与芯轴轴向平行。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明的基于压电纤维的碳纤维增强复合材料冲击检测方法采用压电聚合物压电纤维作为碳纤维复合材料冲击检测的传感器，一方面能够自行产生电压信号，另一方面压电聚合物压电纤维尺寸较小，对于碳纤维复合材料的力学性能影响不大；同时压电聚合物压电纤维对于冲击灵敏度高，电压与形变为线性关系，对于冲击检测具有较高的可靠性。

2.本发明的基于压电纤维的碳纤维增强复合材料冲击检测方法将压电纤维嵌入碳纤维增强复合材料中实现冲击损伤检测，当碳纤维增强复合材料受到冲击时，压电纤维将产生形变，利用压电材料的压电特性，在对应方向上将产生电压；形变越大，产生的电压也越大；通过对电压进行放大和检测，能够在保证不影响碳纤维增强复合材料力学性能的前提下，实现对碳纤维增强复合材料冲击的检测。

【附图说明】

图1是本发明的步骤1)中的压电纤维制备装置的结构示意图。

图2是本发明的步骤2)中的三维编织装置的结构示意图。

图3是本发明的冲击检测示意图。

【具体实施方式】

请参阅说明书附图1至附图3所示，本发明为一种基于压电纤维的碳纤维增强复合材料冲击检测方法，包括如下工艺步骤：

1)，制备压电纤维9；具体的说，需要采用一种压电纤维制备装置，该装置由支架1、铜质针头2、压电聚合物溶液3、漆包线4以及铜环5等几部分组成。

其中，所述铜质针头2与铜环5固定在支架1上。所述铜质针头2中空，其内注入压电聚合物溶液3。所述铜质针头2中间穿过漆包线4，漆包线4从铜质针头2口穿出并经过铜环5。所述压电聚合物溶液3采用DMF做溶剂，压电聚合物做溶质，溶质质量含量为25％。所述漆包线4直径0.3mm，表面包覆聚酰亚胺0.02mm。

所述压电纤维9具体制备方法如下：

1-1)，铜质针头2通正电压，漆包线4接地，在压电聚合物溶液3中形成从铜质针头2指向漆包线4的电场，电场会改变压电聚合物溶液3的润湿性。在本实施方式中，铜质针头2接1000V电压。

1-2)，漆包线4沿着铜质针头2方向缓慢牵引，在牵引力与针头挤压共同作用下，能使压电聚合物溶液3附着在漆包线4的绝缘表面上。

1-3)，被牵引出铜质针头2的漆包线4进入铜环5，在铜环5上继续施加正电压，形成从铜环5指向漆包线4的电场，在电场与牵引力的共同作用下，形成更薄更均匀的压电聚合物层，最终得到所需的压电材料9。其中，铜环5铜环上施加4000V电压。

2)，将压电纤维9和碳纤维10进行编织形成织物，并对织物进行固化，成为复合材料圆管13。

具体的说，所述编织过程中采用一种三维编织装置6，该装置包括芯轴7和导向环8；所述芯轴7保持压电纤维9与碳纤维10的张紧，并确定织物形状并固定织物的位置。所述压电纤维9与碳纤维10通过导向环8在芯轴7表面进行编织。所述碳纤维10具有一定的编织角，而压电纤维9编织方向与芯轴7轴向平行。

所述步骤2)的织物过程具体如下：芯轴7缓慢向右方移动，压电纤维9与碳纤维10从芯轴7的右端开始编织，芯轴7移动带动压电纤维9与碳纤维10在芯轴7表面进行编织；碳纤维10作为纬纱和经纱，纬纱和经纱分别沿轴的两个方向旋转，保证经纱和纬纱交错编织。压电纤维9作为轴纱不旋转，沿轴向编入织物。编织完成后，在芯轴7表面抽出织物。

3)，将复合材料圆管13水平放置并用夹具12固定；压电纤维14内铜丝通过导线15接电荷放大器测量端，复合材料圆管内碳纤维10作为公共端，各路放大电压用数据采集卡实时测量。

4)，冲击锤11按照一定高度落下，对复合材料圆管13产生冲击，由于有数根压电纤维9分布在复合材料圆管13表面，当嵌入压电纤维9的复合材料圆管13受到冲击时，对应方向上的压电纤维9上产生弯曲应变，对应方向上的压电纤维9受形变产生压电效应；压电效应产生的电压与形变成正比，通过电荷放大器、数据采集卡，并在计算机上读取数据，实现对冲击的有效检测。

以上的具体实施方式仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之内。

Claims

1.一种基于压电纤维的碳纤维增强复合材料冲击检测方法，其特征在于：包括如下工艺步骤：

1），制备压电纤维；其采用一种压电纤维制备装置，该装置包括支架、铜质针头、压电聚合物溶液、漆包线以及铜环；其中，所述铜质针头与铜环固定在支架上；所述铜质针头中空，其内注入压电聚合物溶液；所述铜质针头中间穿过漆包线，漆包线从铜质针头口穿出并经过铜环；

2），将压电纤维和碳纤维进行编织形成织物，并对织物进行固化，成为复合材料圆管；

3），将复合材料圆管水平放置并用夹具固定；压电纤维内铜丝接电荷放大器测量端，复合材料圆管内碳纤维作为公共端，各路放大电压用数据采集卡实时测量；

4），冲击锤落下，对复合材料圆管产生冲击，复合材料圆管产生形变，对应方向上的压电纤维受形变产生压电效应；压电效应产生的电压与形变成正比，通过电荷放大器、数据采集卡，并在计算机上读取数据，实现对冲击的有效检测；

其中，所述步骤1）中的压电纤维具体制备方法如下：

1-1），铜质针头通正电压，漆包线接地，在压电聚合物溶液中形成从铜质针头指向漆包线的电场，电场会改变压电聚合物溶液的润湿性；

1-2），漆包线沿着铜质针头方向缓慢牵引，在牵引力与针头挤压共同作用下，能使压电聚合物溶液附着在漆包线的绝缘表面上；

1-3），被牵引出铜质针头的漆包线进入铜环，在铜环上继续施加正电压，形成从铜环指向漆包线的电场，在电场与牵引力的共同作用下，形成更薄更均匀的压电聚合物层，最终得到所需的压电材料。

2.如权利要求1所述的基于压电纤维的碳纤维增强复合材料冲击检测方法，其特征在于：所述压电聚合物溶液采用DMF做溶剂，压电聚合物做溶质，溶质质量含量为25%；所述漆包线直径0.3mm，表面包覆聚酰亚胺0.02mm。

3.如权利要求2所述的基于压电纤维的碳纤维增强复合材料冲击检测方法，其特征在于：所述步骤1-1）的铜质针头接1000V电压；所述步骤1-3）铜环上施加4000V电压。

4.如权利要求1所述的基于压电纤维的碳纤维增强复合材料冲击检测方法，其特征在于：步骤2）中，其采用一种三维编织装置，该装置包括芯轴和导向环；所述芯轴保持压电纤维与碳纤维的张紧，并确定织物形状并固定织物的位置；所述压电纤维与碳纤维通过导向环在芯轴表面进行编织。

5.如权利要求4所述的基于压电纤维的碳纤维增强复合材料冲击检测方法，其特征在于：步骤2）的织物具体编织方法如下：芯轴缓慢向右方移动，压电纤维与碳纤维从芯轴的右端开始编织，芯轴移动带动压电纤维与碳纤维在芯轴表面进行编织；碳纤维作为纬纱和经纱，纬纱和经纱分别沿轴的两个方向旋转，保证经纱和纬纱交错编织；压电纤维作为轴纱不旋转，沿轴向编入织物；编织完成后，在芯轴表面抽出织物。

6.如权利要求5所述的基于压电纤维的碳纤维增强复合材料冲击检测方法，其特征在于：所述碳纤维具有一定的编织角，而压电纤维编织方向与芯轴轴向平行。