CN111237456B - 一种涉及微纳传感器的智能复合材料压力容器及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种涉及微纳传感器的智能复合材料压力容器及制造方法，涉及智能复合材料压力容器制造技术领域。本装置包括复合材料压力容器瓶瓶体和柔性传感器列阵；柔性印刷电路减少了导线的数量，并简化了导线的布置；由于复合材料与微纳传感器一体成型，在复合材料压力容器服役过程中复合材料结构的任何微小损伤都会实时传输到微纳传感器微观结构中，表现为其残余电阻的变化，具有非常好的敏感性。与传统电阻应变片、光纤光栅传感相比，具有大变形量监测、高灵敏度系数、宽服役温度、多方向监测及曲面结构健康监测等优点。

Description

一种涉及微纳传感器的智能复合材料压力容器及制造方法
技术领域
本发明涉及智能复合材料压力容器制造技术领域，尤其涉及一种涉及微纳传感器的智能复合材料压力容器及制造方法。
背景技术
压力容器是生产、生活中广泛使用的可能引起燃爆或中毒等危险性较大的特种设备。在役用压力容器由于在设计、制造、安装和运行中存在各种问题而导致异常失效，从而造成突发性破坏事故。复合材料压力容器相对于全金属压力容器具有更好的力学性能，但其复杂的结构使其自身在制造和服役过程中存在更多、更复杂的损伤机理。为了避免复合材料压力容器在整个工作周期内出现因为其结构破坏而造成的爆炸和中毒等危害性极大的事故发生，需要对复合材料压力容器进行实时的工作状态监测、损伤监测及定位和剩余寿命估计。
目前对于复合材料压力容器最常用将光纤光栅传感器和压电陶瓷传感器在制造压力容器的过程中合理的埋入复合材料中，同样可以实现对复合材料压力容器进行实时的动态的健康监测。但是两种传感器在埋入复合材料后，相当于在复合材料中引入了人为缺陷，从而会对复合材料压力容器整体力学性能造成一定的影响。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种涉及微纳传感器的智能复合材料压力容器及制造方法，发明方案如下：
一方面，本发明提供一种涉及微纳传感器的智能复合材料压力容器，包括复合材料压力容器瓶瓶体和柔性传感器列阵；
所述复合材料压力容器瓶瓶体包括铝合金层、碳纤维层和玻璃纤维层；所述铝合金层为瓶体内衬；碳纤维层作为中间层，是主要受力层；玻璃纤维层为最外层保护层；
所述柔性传感器列阵包括微纳米传感器和柔性印刷电路；所述微纳米传感器为圆形的微纳米传感器，所述柔性印刷电路包括基板、铜箔、胶黏剂和保护膜，其中基板和保护膜由聚酷亚胺材料构成，微纳米传感器通过胶黏剂粘贴到柔性印刷电路对应的导线电极上，形成柔性传感器列阵；
所述圆形微纳米传感器的外围圆周上均设置以传感器中心点为对称的多对电极。
另一方面，本发明提供一种涉及微纳传感器的智能复合材料压力容器的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：所述铝合金内衬表面通过涂抹未固化的树脂或喷涂导电隔离胶，将柔性传感器列阵铺设到铝合金内衬表面；
步骤2：使用碳纤维缠绕将柔性传感器列阵固定到碳纤维层和铝合金内衬之间；
所述柔性传感器列阵，柔性印刷电路以聚酷亚胺薄膜上涂上胶粘剂，按照设计的电路配置铜箔形成铜线，柔性印刷电路厚度为0.1mm-0.15mm，使用胶黏剂将微纳米传感器粘贴到柔性印刷电路上对应的导线电极上，并把已粘贴传感器的柔性电路放入80-150℃的恒温干燥箱中5-30分钟，使胶粘剂充分干燥。
所述柔性印刷电路，在对复合材料压力容器的半球形封头和圆柱形筒体监测时，半球形封头和圆柱形筒体上需要监测的位置不同，所布置传感器的数量也不同，所以设计的柔性电路形状也不同，对于需要监测的位置布置传感器，分别使用不同形状的柔性印刷电路，设计柔性电路将所有布置的传感器相连接。
步骤3：当第一层碳纤维缠绕完成后，将柔性传感器列阵铺设到第一层碳纤维表面，继续进行并完成碳纤维缠绕，将柔性传感器列阵固定到碳纤维层内；
所述柔性传感器列阵布置到碳纤维层之间时，由于碳纤维具有导电性，需要在微纳米传感器上粘贴一层表面粘，以隔离碳纤维和微纳米传感器。
步骤4：复合材料压力容器的最外层为玻璃纤维，在完成第一层缠绕玻璃纤维后，将柔性传感器列阵铺设到第一层玻璃纤维表面，继续进行并完成玻璃纤维缠绕，将柔性传感器列阵固定到玻璃纤维层内。
本发明的有益效果：
本发明中的微纳传感器与树脂有极好的浸润特性，所以微纳传感器可与复合材料一体固化成型，对复合材料的力学性能影响极小，从而克服了传感器埋入复合材料中引入缺陷的问题；
本发明提出的柔性印刷电路减少了导线的数量，并简化了导线的布置；由于复合材料与微纳传感器一体成型，在复合材料压力容器服役过程中复合材料结构的任何微小损伤都会实时传输到微纳传感器微观结构中，表现为其残余电阻的变化，具有非常好的敏感性。与传统电阻应变片、光纤光栅传感相比，具有大变形量监测(30％)、高灵敏度系数(20-100，大于传统应变片2)、宽服役温度(-100℃-300℃)、多方向监测及曲面结构健康监测等优点。
附图说明
图1为本发明实施例中柔性印刷电路的电路原理图；
图2为本发明实施例中使用的实际柔性印刷电路图；
图3为本发明实施例中复合材料压力容器分解图与柔性印刷电路三维渲染图；
图中，1-玻璃纤维层，2-碳纤维层，3-铝合金内胆；
图4为本发明实施例中碳纳米纸传感器监测复合材料压力容器在分级时的碳纳米纸传感器电阻变化和应变变化曲线；
图中，(a)-碳纳米纸传感器电阻变化曲线，(b)-碳纳米纸传感器应变变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。
所述复合材料压力容器瓶瓶体包括铝合金层、碳纤维层和玻璃纤维层；所述铝合金层为瓶体内衬；碳纤维层作为中间层，是主要受力层；玻璃纤维层为最外层保护层；
所述柔性传感器列阵包括微纳米传感器和柔性印刷电路，如图1所示；所述微纳米传感器为圆形的微纳米传感器，所述柔性印刷电路包括基板、铜箔、胶黏剂和保护膜，其中基板和保护膜由聚酷亚胺材料构成，微纳米传感器通过胶黏剂粘贴到柔性印刷电路对应的导线电极上，形成柔性传感器列阵；
所述圆形微纳米传感器的外围圆周上均设置以传感器中心点为对称的多对电极，使用多对导线连接多对电极可用于监测多个方向的应变并同时监测复合材料温度。
所述柔性印刷电路以聚酷亚胺薄膜上涂上胶粘剂，按照设计的电路配置铜箔形成铜线，如图2所示，柔性印刷电路厚度为0.1mm-0.15mm。
所述使用胶黏剂将微纳米传感器粘贴到柔性印刷电路上对应的导线电极上，并把已粘贴传感器的柔性电路放入80-150℃的恒温干燥箱中5-30分钟，使导电银胶充分干燥。
所述柔性印刷电路，在对复合材料压力容器的半球形封头和圆柱形筒体监测时，通常半球形封头和圆柱形筒体上需要监测的位置不同，所布置布置传感器的数量也不同，所以设计的柔性电路形状也不同，对于需要监测的位置布置传感器，分别使用不同形状的柔性印刷电路，设计柔性电路将所有布置的传感器相连接起来。
所述柔性传感器列阵布置到碳纤维层之间时，如图3所示，由于碳纤维具有导电性，需要在微纳米传感器上粘贴一层表面粘，以隔离碳纤维和微纳米传感器。
另一方面，本发明提供一种涉及微纳传感器的智能复合材料压力容器的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：所述铝合金内衬表面通过涂抹未固化的树脂或喷涂导电隔离胶，将柔性传感器列阵铺设到铝合金内衬表面；
步骤2：使用碳纤维缠绕将柔性传感器列阵固定到碳纤维层和铝合金内衬之间；
步骤2：使用碳纤维缠绕将柔性传感器列阵固定到碳纤维层和铝合金内衬之间；
步骤3：当第一层碳纤维缠绕完成后，将柔性传感器列阵铺设到第一层碳纤维表面，继续进行并完成碳纤维缠绕，可将柔性传感器列阵固定到碳纤维层内；
步骤4：复合材料压力容器的最外层为玻璃纤维，在完成第一层缠绕玻璃纤维后，将柔性传感器列阵铺设到第一层玻璃纤维表面，继续进行并完成玻璃纤维缠绕，可将柔性传感器列阵固定到玻璃纤维层内。
本实施例中使用石墨烯传感器，如图4所示，为本发明实施例中石墨烯传感器监测复合材料压力容器在分级时的石墨烯传感器电阻变化和应变变化曲线。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (1)

1.一种涉及微纳传感器的智能复合材料压力容器的制造方法，其特征在于，所述一种涉及微纳传感器的智能复合材料压力容器包括复合材料压力容器瓶瓶体和柔性传感器列阵；
所述复合材料压力容器瓶瓶体包括铝合金层、碳纤维层和玻璃纤维层；所述铝合金层为瓶体内衬；碳纤维层作为中间层，是主要受力层；玻璃纤维层为最外层保护层；
所述柔性传感器列阵包括微纳米传感器和柔性印刷电路；所述微纳米传感器为圆形的微纳米传感器，所述柔性印刷电路包括基板、铜箔、胶黏剂和保护膜，其中基板和保护膜由聚酷亚胺材料构成，微纳米传感器通过胶黏剂粘贴到柔性印刷电路对应的导线电极上，形成柔性传感器列阵；
所述圆形微纳米传感器的外围圆周上均设置以传感器中心点为对称的多对电极；
所述一种涉及微纳传感器的智能复合材料压力容器的制造方法包括以下步骤：
步骤1：所述铝合金内衬表面通过涂抹未固化的树脂或喷涂导电隔离胶，将柔性传感器列阵铺设到铝合金内衬表面；
步骤2：使用碳纤维缠绕将柔性传感器列阵固定到碳纤维层和铝合金内衬之间；
步骤3：当第一层碳纤维缠绕完成后，将柔性传感器列阵铺设到第一层碳纤维表面，继续进行并完成碳纤维缠绕，将柔性传感器列阵固定到碳纤维层内；
步骤4：复合材料压力容器的最外层为玻璃纤维，在完成第一层缠绕玻璃纤维后，将柔性传感器列阵铺设到第一层玻璃纤维表面，继续进行并完成玻璃纤维缠绕，将柔性传感器列阵固定到玻璃纤维层内；
所述柔性传感器列阵中的柔性印刷电路以聚酷亚胺薄膜上涂上胶粘剂，按照设计的电路配置铜箔形成铜线，柔性印刷电路厚度为0.1mm-0.15mm，使用胶黏剂将微纳米传感器粘贴到柔性印刷电路上对应的导线电极上，并把已粘贴微纳米传感器的柔性印刷电路放入80-150°C的恒温干燥箱中5-30分钟，使胶粘剂充分干燥；
所述柔性印刷电路，在对复合材料压力容器的半球形封头和圆柱形筒体监测时，半球形封头和圆柱形筒体上需要监测的位置不同，所布置微纳米传感器的数量也不同，所以设计的柔性印刷电路形状也不同，对于需要监测的位置布置微纳米传感器，分别使用不同形状的柔性印刷电路，设计柔性印刷电路将所有布置的微纳米传感器相连接；
所述柔性传感器列阵布置到碳纤维层之间时，由于碳纤维具有导电性，需要在微纳米传感器上粘贴一层表面粘，以隔离碳纤维和微纳米传感器。
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