CN111928893A

CN111928893A - 碳纤维复合材料全过程在线监测方法及监测装置

Info

Publication number: CN111928893A
Application number: CN202010762894.3A
Authority: CN
Inventors: 周华民; 周何乐子; 张峰嘉; 王飞飞; 张云; 黄志高; 李德群
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2020-07-31
Filing date: 2020-07-31
Publication date: 2020-11-13
Anticipated expiration: 2040-07-31
Also published as: CN111928893B

Abstract

本发明属于材料科学与工程领域，公开了一种碳纤维复合材料成形‑服役全过程在线监测方法及监测装置。该监测方法利用多功能材料的热释电效应与压电效应来监测碳纤维复合材料成形过程中的温度变化与服役过程中的健康状态。该监测装置包括对温度、应变具有响应的多功能材料作为信号源发生器，与多功能材料所引出的导线负极及构件表面正极连接的外部电路和处理器。通过本发明，可实现对碳纤维复合材料成形过程与服役过程中温度、应力、应变的实时监测，从而实现成形‑服役全过程监测，减少多种传感监测系统附加对构件性能产生的影响，实现碳纤维复合材料构件监测智能化。

Description

碳纤维复合材料全过程在线监测方法及监测装置

技术领域

本发明属于材料科学与工程领域，涉及碳纤维增强复合材料成形-服役全过程在线监测方法及监测装置，更具体地，涉及一种碳纤维增强复合材料成形与服役的全过程监测技术。

背景技术

由于碳纤维增强复合材料具有高比强度、高比模量等优点，其广泛应用于航空航天、轨道交通、土木建筑、能源等领域，如飞机机身、潜艇螺旋桨、发动机叶片、风电叶片等。但由于复合材料生产工艺复杂，容易在成形过程中由于温度波动大及不均匀产生固化不完全及热应力翘曲等缺陷，而这些缺陷使构件在复杂的服役环境中发生损伤甚至影响使用。为避免碳纤维复合材料构件成形过程中产生过多缺陷以及缺陷对构件服役过程产生的影响，对碳纤维复合材料构件成形及服役全过程的在线监测至关重要。

目前，有多种方法可以实现对碳纤维复合材料成形过程或服役过程的在线监测，包括声发射检测技术、光纤光栅传感技术等，但是上述技术存在如下问题：

1、声发射检测技术在应力、应变检测中应用广泛，主要用于对碳纤维复合材料服役过程的损伤状态进行监测，很难实现对温度的检测，并且声发射检测技术需要附加传感器进行检测，传感器在安装、服役过程中易受外界环境影响，其在线监测应用范围受限。

2、光纤光栅传感技术所使用的FBG传感器虽然可检测成形与服役过程中温度、应力、应变变化，但FBG传感器的使用需要布置引线将其预埋于构件中，复材成形脱模阶段容易破坏引线，且引线对复材构件的安装产生影响，因此一般用于成形监测的FBG传感器不具有服役监测的功能；也不仅如此，光纤的直径几倍于碳纤维，对构件的力学性能产生影响，降低构件的使用寿命，故光纤光栅传感器用于服役性能的检测多使用贴片的方式。

因此，由于传感系统的脆弱性、与树脂基体的界面结合性、对服役条件的适应性等问题尚未得到有效解决，声发射检测技术与光纤传感等技术无法实现同时对固化过程的监测和对服役过程健康状态的监测，即无法实现成形-服役全过程监测。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多功能碳纤维复合材料全过程在线监测方法及监测装置，其目的在于，通过将同时具有介电/压电及热释电性能的多功能材料用于碳纤维复合材料构件，利用双方优点与特点，改善碳纤维复合材料结构件生产的工艺过程，提高成形过程的监测能力，同时减少不同监测传感系统的附加对构件产生的影响，简化监测系统制造工艺，降低成形过程监测与构件损伤监测的成本，实现碳纤维复合材料成形过程的温度监测与服役过程的应力及损伤状态监测。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种碳纤维复合材料全过程在线监测方法，该方法利用多功能材料的热释电效应与压电效应来监测碳纤维复合材料成形过程中的温度变化与服役过程中的应力变化，具体为：

利用同时具有介电/压电效应与热释电效应的多功能材料作为碳纤维复合材料的层间相，并在该层间相的表面以及该层间相相邻的一个碳纤维复合材料层上分别设置导线，组成监测电路的核心，由于碳纤维复合材料构件成形过程中的温度监测与服役过程的应力及损伤，均会引起该层间相与该相邻碳纤维复合材料层上的电荷变化从而导致电信号变化，通过监测上述电信号变化实现碳纤维复合材料构件成形过程中的温度监测与服役过程的应力及损伤监测，即实现碳纤维复合材料构件的成形-服役全过程在线监测。

进一步地，该碳纤维复合材料全过程在线监测方法包括如下步骤：

(a)根据所需传感器的数量，在相应数量的碳纤维复合材料层表面成型同时具有热释电效应和介电/压电效应的多功能材料层间相，并在该多功能材料层间相表面设置导线，目的是将热释电效应与压电效应在该层间相上产生的电信号导出；

(b)将步骤(a)中制备有多功能材料层间相的碳纤维复合材料层作为传感器参与碳纤维复合材料构件的成型，即在碳纤维复合材料构件的成型过程中，将制备有多功能材料层间相的碳纤维复合材料层成型在指定的监测位置；由于碳纤维自身存在导电特性，因此以该制备有多功能材料层间相的碳纤维复合材料层表面作为正极，以步骤(a)中引出的导线为负极接入外部电路，从而采集并存储构件成型过程中产生的电信号；

(c)碳纤维复合材料构件服役后，以该制备有多功能材料层间相的碳纤维复合材料层表面作为正极，以步骤(a)中引出的导线为负极接入外部电路，从而采集并存储构件服役过程中产生的电信号；

(d)根据步骤(b)、(c)采集的电信号计算并分析被测构件成型过程中温度变化与服役过程中应力状态变化。

进一步地，步骤(d)中进行计算分析之前，先对步骤(b)、(c)采集的电信号进行放大处理。

进一步地，在步骤(a)中的成型方法包括手工放置、3D打印、静电纺丝或纤维自动铺丝。

进一步地，所述同时具有热释电效应和介电/压电效应的多功能材料包括聚偏氟乙烯、钛酸钡陶瓷或钛酸铅陶瓷。

进一步地，在步骤(b)、(c)中碳纤维复合材料构件正极表面通过导电银浆或导电胶与外部电路的导线连接。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种碳纤维复合材料全过程在线监测装置，包括碳纤维复合材料层，以及该碳纤维复合材料层表面成型的同时具有热释电效应和介电/压电效应的多功能材料层间相；该多功能材料层间相表面设置导线作为负极、该碳纤维复合材料层作为正极接入外部电路；该外部电路用于在线检测正极和负极之间形成的电信号，并传输至处理器中；所述处理器用于建立监测的电信号与复合材料构件应力/应变状态的对应关系，和/或根据已知的电信号与复合材料构件应力/应变状态的对应关系，计算并分析被测构件成型过程中温度变化与服役过程中应力/应变状态变化。

进一步地，所述外部电路包括放大电路，用于对采集的电信号进行放大处理。

进一步地，所述放大电路为电荷放大器；所述电信号包括电流和/或电压信号，分别通过电流测量仪和/或电压测量仪采集。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、同时具有独特介电效应、压电效应、热释电效应的多功能材料与单一功能、附加传感设备相比，监测功能多、对构件力学性能影响小，将碳纤维复合材料结构件成形与同时具有热释电效应和压电效应的多功能材料的生产相结合，可形成具有多功能材料作为层间相的碳纤维复合材料构件。通过本发明中的监测方法，利用多功能材料的压电效应和热释电效应，既可在成形过程中监测温度和应力变化，也可在服役过程中监测结构件的健康/损伤状态，实现碳纤维复合材料成形-服役全过程监测，降低成形过程监测与构件服役状态监测的成本，促进碳纤维复合材料构件的广泛应用。

2、由于碳纤维复合材料构件成形过程的最关键因素是环氧树脂固化过程的温度变化，服役过程中最重要的是对构件损伤状态的监测，因此本发明能够同时实现碳纤维复合材料构件成形过程中的温度监测与服役过程中的损伤状态监测，即，本发明可以实现对碳纤维复合材料的全过程监测，提高生产效率，促进碳纤维复合材料构件的广泛应用。

3、由于多功能材料的热释电效应(材料自身极化强度随材料温度改变而表现出的电荷释放现象)，多功能材料附近的复合材料基体温度变化引起多功能材料两端出现电压差，造成复合材料监测电路的电流或电压值发生变化，可经过电荷放大器将其输出，由此建立监测的电信号与加工过程中复合材料温度的对应关系，实现对成形过程的温度监测。

4、利用多功能材料的压电效应(材料自身极化强度随外力改变而在材料表面产生电荷的现象)，当复合材料构件由于外载荷变化或发生损伤引起应力场发生变化时，多功能材料附近的应力变化将引起材料两端出现电压差，造成复合材料监测电路的电流或电压值发生变化(该变化较小时可优选经过电荷放大器将其放大后输出)，由此建立监测的电信号与复合材料构件应力/应变状态的对应关系，实现对服役过程的在线监测。

5、利用上述多功能材料同时具备的热释电效应与压电效应，在无须添加其它传感器件的情况下，能够直接成型于碳纤维复合材料构件内成为该构件自身构造的一部分。由于该传感器直接参与到成型过程中，并且能够直接作为构件自身构造的一部分参与服役，因此，可以先后实现碳纤维复合材料构件的成形过程温度监测与服役过程应力及损伤状态监测，即实现碳纤维复合材料构件成形-服役全过程监测。

附图说明

图1是碳纤维复合材料成形-服役全过程监测装置示意图；

图2是碳纤维复合材料构件温度变化时，监测装置工作示意图；

图3是多功能材料层间相温度变化时，由热释电效应产生电信号示意图；

图4是碳纤维复合材料构件发生损伤、多功能材料薄膜受到应力作用时，监测装置工作示意图；

图5是多功能材料层间相受外力作用时，由压电效应产生电信号示意图；

图6是碳纤维复合材料构件受均布拉伸载荷作用时，多功能材料上下表面电势差与载荷大小关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：利用多功能材料的压电效应、热释电效应，通过监测电路将温度、应力变化产生的电信号导出，并对导出的电信号进行分析，从而实现对成形及服役过程的监测。

一种碳纤维复合材料全过程在线监测方法，该方法包括下列步骤：

1)在碳纤维布表面成型多功能材料层间相，并在层间相表面设置导线以引出电信号进行传导。

多功能层间相材料选择为同时具有压电效应与热释电效应的高分子材料，如聚偏氟乙烯(PVDF)；成形方法可选择为：手工放置、3D打印、静电纺丝、纤维自动铺丝等技术，但不仅限于上述方法；导线材料可选择为铜丝。

2)使用步骤1)中的碳纤维布作为传感系统参与碳纤维复合材料构件的成形。由于碳纤维自身存在导电特性，因此以碳纤维复合材料构件表面作为正极，以步骤1)中所述导线为负极，接入外部电路。

碳纤维复合材料构件正极表面通过导电银浆或导电胶与外部电路导线连接；外部电路包括电荷放大器，电流、电压测量仪和计算机。

3)在碳纤维复合材料构件成形过程中，由于环氧树脂固化过程温度不断变化，使得碳纤维布表面的多功能材料因热释电效应而产生电荷；由于热释电效应产生的电荷信号微弱，因此将多功能材料通过导线与电荷放大器相连接。电荷信号经电荷放大器放大处理转化为电流或电压信号后，即可被电流、电压测量仪采集并存储，传输到计算机软件中即可根据电信号规律分析成形过程中环氧树脂的固化情况，从而预测碳纤维复合材料构件的力学性能。

4)在碳纤维复合材料构件服役过程中，由于服役条件复杂多变，当外力作用于构件并使构件产生损伤时，构件应力状态发生变化，使得内部的多功能材料因压电效应而产生电荷；由于热释电效应产生的电荷信号微弱，因此将多功能材料通过导线与电荷放大器相连接。电荷信号经电荷放大器放大处理转化为电流或电压信号后，即可被电流、电压测量仪采集并存储，传输到计算机软件中即可根据电信号规律分析服役过程中构件应力状态变化，从而预测损伤、减少损失。

下面结合一个具体的应用实例对本发明进行进一步说明。

用PVDF作为传感系统的碳纤维复合材料构件具体的制备步骤如下：

1)准备剪裁好的T300编织碳纤维布(30cm*20cm)12张；准备

LY 1564环氧树脂与

22962固化剂共250g，按照4:1的比例，在40℃加热条件下进行均匀混合。

2)取二甲基甲酰胺(DMF)和丙酮共18g，按照质量比3:2进行均匀混合，得到溶剂；再取PVDF粉末2g倒入配制好的溶剂中，在40℃条件下，磁力搅拌30分钟，得到静电纺丝用的PVDF溶液；选择一张准备好的碳纤维布，将其卷在静电纺丝设备中的收集辊上，电压设置为18kV，盛有溶液的注射器尖端与收集辊之间距离为15cm，注射器中溶液进给速度为1mm/h；纺丝半小时后，得到表面铺满PVDF薄膜的碳纤维布一张(PVDF薄膜厚度为0.05mm)，重复上述步骤，获得表面铺满PVDF薄膜的碳纤维布共两张，放置一侧，待用。

3)在铺好的PVDF薄膜表面引出直径为0.02mm的铜丝作为导线。

4)在加热板上放一块4mm厚铝板，加热板温度设定为40℃；将铝板表面清理干净后，铺一层35cm*25cm的真空袋膜，用密封胶粘住四个边将其固定在铝板上，此时不撕开密封胶表面的白纸；在真空袋膜上铺一层30cm*20cm的隔离膜，然后用刷子蘸取混合好的环氧树脂均匀涂刷隔离膜表面，随后在隔离膜上覆盖一层碳纤维布；再用刷子均匀涂刷碳纤维布表面，随后在碳纤维布上再覆盖一层碳纤维布，并重复此步骤，直至纤维布铺放完毕，其中带有PVDF薄膜的碳纤维布分别铺放在第4层和第9层；碳纤维布铺放完毕后，在其表面铺放35cm*25cm的真空袋膜，并撕下密封胶表面的白纸，两层真空袋膜对形成密封空间。利用真空泵将密封空间抽为真空状态。

5)将铝板及所制备预制品转移至热压机工作台，设定压力为2MPa，加热温度180℃，加热时间4h。预制品热压固化过程中，利用PVDF的热释电效应将碳纤维复合材料内部的温度变化转换为电信号变化，通过监测电路导出后，即可实现对碳纤维复合材料构件成形过程中的温度监测。完成热压后取下成品，去掉表面真空袋膜与隔离膜，得到产品。

对于上述实施例中获得的构件，进行成形过程的温度监测与服役过程的应力状态监测原理分析，具体如下：

对于碳纤维复合材料成形过程中的温度监测，示意图如图2、图3所示。

在由于具有热释电效应PVDF的自发极化现象会使材料本身呈电中性，当外界温度变化时，材料内自发极化强度发生变化，表面释放部分电荷，从而产生电流。热释电电流Ip大小由式(1)得出：

式中A为高分子薄膜面积，p为热释电系数，dT/dt为高分子薄膜的温度变化率，T为温度，t为时间。

当电流产生后，由于碳纤维自身存在导电特性，电荷可通过碳纤维复合材料构件中的碳纤维导电网络进行传导，因此以碳纤维复合材料构件下底面为正极，以引出的铜丝作为负极，将正负极接入电荷放大器、电压测试仪及计算机组成的外部电路，构成监测电路，即可获得实时电信号数据，从而实现对成形过程中温度变化的实时监测。

对于碳纤维复合材料构件服役过程的应力及损伤监测，示意图如图4、图5所示。

当构件在服役过程中产生损伤时，损伤产生的应力作用于PVDF薄膜层间相，使PVDF薄膜通过压电效应产生电荷，产生的总电荷量Q由式(2)得出：

Q＝(d₃₁ε₁+d₃₂ε₂+d₃₃ε₃)EA (2)

式中d₃₁、d₃₂、d₃₃为压电应变常数，ε₁、ε₂、ε₃为纵向、横向和厚度方向应变，E为PVDF薄膜的杨氏模量，A为PVDF薄膜有效传感面积。

电荷通过碳纤维复合材料构件中的导电网络进行传导，与成形过程的温度监测共用同一监测电路，通过电流、电压测量仪，获得实时电信号数据，根据电信号规律，对比多功能材料的热释电及压电属性，即可得到构件应力、应变的状态变化，从而实现对服役过程的在线监测。

以服役过程中应力状态的监测为例，对监测结果及分析作详细说明，如图4所示。图中碳纤维复合材料构件受均布拉伸载荷作用，随着载荷逐渐增大，PVDF表面产生的电荷也相应增多，上下表面电势差随之增大。电压与某一点应力关系如图6所示，从图中可以看出电压大小与外加载荷F(N)存在线性关系，因此可以根据电势差大小计算出当前载荷大小及应力状态，从而可以以此为基础对整个构件的应力状态进行预测，实现损伤监测。

通过使用同时具有压电效应、热释电效应的多功能材料，实现对碳纤维复合材料构件成形过程与服役过程中温度、应力、应变的实时监测，从而实现成形-服役全过程监测，减少多个传感监测系统附加对构件性能产生的影响，实现碳纤维复合材料构件监测智能化。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种碳纤维复合材料成形-服役全过程在线监测方法，其特征在于，利用同时具有介电/压电效应与热释电效应的多功能材料作为碳纤维复合材料的层间相，并在该层间相的表面以及该层间相相邻的碳纤维纤维布层上分别设置导线，组成监测电路的核心，由于碳纤维复合材料构件成形过程中的温度变化与服役过程的外载变化及损伤发生，均会引起该层间相与该相邻碳纤维复合材料层上的电荷变化从而导致电信号变化。通过监测上述电信号变化实现碳纤维复合材料构件成形过程中的温度监测与服役过程的应力及损伤监测，即实现碳纤维复合材料构件的成形-服役全过程在线监测。

2.如权利要求1所述的一种碳纤维复合材料全过程在线监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(a)根据所需传感器的数量，在相应数量的碳纤维复合材料层表面成型同时具有介电/热释电效应和压电效应的多功能材料层间相，并在该多功能材料层间相表面设置导线，目的是将热释电效应与压电效应在该层间相上产生的电信号导出；

3.如权利要求2所述的一种碳纤维复合材料全过程在线监测方法，其特征在于，步骤(d)中进行计算分析之前，先对步骤(b)、(c)采集的电信号进行放大处理。

4.如权利要求1所述的一种碳纤维复合材料全过程在线监测方法，其特征在于，在步骤(a)中的成型方法包括手工放置、3D打印、静电纺丝或纤维自动铺丝。

5.如权利要求1～4任一项所述的一种碳纤维复合材料全过程在线监测方法，其特征在于，所述同时具有热释电效应和压电效应的多功能材料包括聚偏氟乙烯、钛酸钡陶瓷或钛酸铅陶瓷。

6.如权利要求1～4任一项所述的一种碳纤维复合材料全过程在线监测方法，其特征在于，在步骤(b)、(c)中碳纤维复合材料构件正极表面通过导电银浆或导电胶与外部电路的导线连接。

7.一种碳纤维复合材料全过程在线监测装置，其特征在于，包括碳纤维复合材料层，以及该碳纤维复合材料层表面成型的同时具有热释电效应和介电/压电效应的多功能材料层间相；该多功能材料层间相表面设置导线作为负极、该碳纤维复合材料层作为正极接入外部电路；该外部电路用于在线检测正极和负极之间形成的电信号，并传输至处理器中；所述处理器用于建立监测的电信号与复合材料构件应力/应变状态的对应关系，和/或根据已知的电信号与复合材料构件应力/应变状态的对应关系，计算并分析被测构件成型过程中温度变化与服役过程中应力/应变状态变化。

8.如权利要求7所述的一种碳纤维复合材料全过程在线监测装置，其特征在于，所述外部电路包括放大电路，用于对采集的电信号进行放大处理。

9.如权利要求7所述的一种碳纤维复合材料全过程在线监测方法，其特征在于，所述同时具有热释电效应和介电/压电效应的多功能材料包括聚偏氟乙烯、钛酸钡陶瓷或钛酸铅陶瓷。

10.如权利要求7～9任一项所述的一种碳纤维复合材料全过程在线监测方法，其特征在于，所述放大电路为电荷放大器；所述电信号包括电流和/或电压信号，分别通过电流测量仪和/或电压测量仪采集。