CN113376224A - 监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器及其制法 - Google Patents

Abstract

一种监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器及其制法，属于飞机连接结构的健康监测领域。该监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器，包括导电柔性纳米纸、导电浆液、导线和数据采集装置，导电柔性纳米纸通过导电浆液和导线连接，导线和数据采集装置连接；监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器用于监测飞机耳片连接结构处电阻变化数据，并将数据传输至数据采集装置进行处理，数据采集装置根据电阻变化率，得到飞机耳片连接结构的微裂纹损伤演变情况。该传感器中数据采集装置能够对采集到的传感器电阻变化信息进行融合、处理和分析，能够实现实时监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变，提高了飞机耳片连接结构的安全性。

Description

监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器及其 制法

技术领域

本发明涉及飞机连接结构的健康监测领域，具体涉及一种监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器及其制法。

背景技术

微裂纹损伤是引起飞机耳片连接结构断裂失效的重要原因，即使在低应力循环载荷作用下，飞机耳片连接结构依然会发生疲劳断裂现象。飞机耳片连接结构在发生断裂失效过程中，微裂纹损伤演变通常需要经历裂纹的萌生阶段、扩展阶段和瞬间断裂阶段。大量的研究发现，疲劳裂纹的萌生过程往往占据了疲劳寿命的绝大部分，尽早发现裂纹采取相应的补强措施会极大提高飞机连接结构的安全。作为飞机上的关键结构件，飞机耳片连接结构的完整性对飞行安全具有重要意义。但如何实时精准有效实时监测飞机耳片连接结构疲劳裂纹的萌生以及扩展仍然是一个巨大的挑战。通过对飞机耳片连接结构的微裂纹损伤演变进行精准有效的实时监测将是确保飞机耳片连接结构安全可靠工作的最重要途径。

目前，较为成熟的结构微裂纹损伤监测传感器类型包括：光纤传感器、压电材料传感器、相对真空传感器、涡流传感器、声发射传感器等，它们在用于飞机连接结构的疲劳微裂纹损伤演变监测时，存在以下问题需要解决：难以实现与飞机金属结构的一体化集成；难以承受飞机金属结构的恶劣服役环境或容易受飞机系统的电磁干扰影响；在现有检测范围和精度下难以精准有效评估结构微裂纹损伤演变状态；在现有成本和设备要求水平下难以大范围应用；传感器制备过程复杂且不可降解，难处理。因此，发展一种低成本、环境友好、简单且可靠性高的飞机连接结构微裂纹实时监测技术十分必要。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器及其制法，本发明使用导电填料(纳米碳材料)与纳米纤维素共混的方式制备导电柔性纳米纸，利用导电浆液把导电柔性纳米纸与导线连接组装成应变传感器。使用与飞机耳片连接结构材料模量相近的界面剂，把应变传感器布置在飞机耳片连接结构的关键位置，利用封装薄膜进一步封装，并与数据采集装置连接，对采集到的传感器电阻变化信息进行融合、处理和分析，实现实时监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变，提高了飞机耳片连接结构的安全性。

本发明的一种监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器，包括导电柔性纳米纸、导电浆液、导线和数据采集装置，导电柔性纳米纸通过导电浆液和导线连接，导线和数据采集装置连接；

所述的监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器用于监测飞机耳片连接结构处电阻变化数据，并将数据传输至数据采集装置进行处理，数据采集装置根据电阻变化率，得到飞机耳片连接结构的微裂纹损伤演变情况。

所述的电阻变化率的计算公式为：

R₀为初始电阻，R为测量电阻。

当电阻变化率≤10％，飞机耳片连接结构无裂纹损伤，当10％<电阻变化率≤30％则是飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的裂纹萌生阶段；当30％<电阻变化率<500％，则是飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的裂纹扩展阶段，当电阻变化率≥500％时，则是飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的瞬间断裂阶段，则发生失效，不能继续安全服役。

通过飞机耳片连接结构的纳米纸传感器电阻变化率数据，从而判断飞机耳片连接结构的微裂纹萌生、扩展、失效等损伤演变情况。

本发明的一种监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：

将导电填料和改性表面活性剂混合研磨或球磨，研磨或球磨3～10h，加入去离子水超声剥离分散，得到大小和厚度均匀的导电纳米碳材料分散液；其中，导电填料为热膨胀石墨和/或碳纳米管；

按质量比，导电填料：改性表面活性剂＝1:(2～5)；

步骤2：

将导电填料分散液和纳米纤维素分散液混合均匀，真空抽滤，得到导电柔性纳米纸；按质量比，导电填料：纳米纤维素＝(1～99):(99～1)；

步骤3：

用导电浆液将导线固定在导电柔性纳米纸上，然后和数据采集装置连接，得到监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器。

所述的步骤1中，改性表面活性剂为：脂肪酸甘油酯、曲拉通X-100、脂肪醇醚硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚、苯磺酸钠类中一种。

所述的步骤1中，球磨过程选择钢罐，球选择氧化锆球、碳化钨球、不锈钢球中一种，球磨速度200～600rpm，球磨程序选择球磨15～20min、暂停8～10min。

所述的步骤1中，超声功率为80～120W，且在超声过程中，每超声2～3s，停顿1s，超声过程控制温度为0～20℃。

所述的步骤2中，纳米纤维素的直径4～100nm，长度≥1μm。

本发明的监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器的使用方法，包括以下步骤：

对飞机耳片连接结构中容易出现裂纹位置进行仿真计算分析，采用界面剂将监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器固定在飞机耳片连接结构的容易出现裂纹位置上；所述的界面剂的模量和飞机耳片连接结构使用的材料模量相差±0.5MPa；使用封装薄膜进一步封装；

通过监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器采集飞机耳片连接结构微裂纹损伤引起传感器电阻变化率的信息，传输至数据采集装置，通过数据采集装置分析传感器电阻变化率信息来判断飞机耳片连接结构的微裂纹损伤。

其中，飞机耳片连接结构中容易出现裂纹位置，采用以下方法确定：

通过力学仿真模拟计算得出飞机耳片连接结构容易产生微裂纹的位置，从而有效的布控纳米纸传感器。

本发明的了一种监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器及其制法，其有益效果在于：

本发明使用导电填料与纤维素共混制备的导电柔性纳米纸成本低，柔性高，制备过程简便，具有较高的灵敏度和可靠性。使用纤维素基体制备的这种导电柔性纳米纸传感器能够与飞机耳片连接结构完美贴合，可以实现飞机耳片连接结构的微裂纹损伤演变情况实时监测。

并且判断飞机耳片连接结构中容易出现裂纹位置，对其进行监测，能够根据数据采集装置中电阻变化率情况直接判断飞机耳片连接结构中的裂纹损伤演变，从而根据使用要求，根据裂纹损伤演变的情况，指示是否需要进行更换操作，提前预知危险，进行补救。

附图说明

图1：导电柔性纳米纸的制备流程示意图；

图2：监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器在飞机耳片连接结构上的精准有效布控；

图3：飞机耳片连接结构的模拟计算受力图谱；

图4：疲劳稳定状态下的监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器电信号响应曲线；

图5：疲劳裂纹萌生状态下的监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器电信号响应曲线；

图6：疲劳裂纹扩展状态下的监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器电信号响应曲线；

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

以下实施例中，数据采集装置采用FLUKE数据采集系统或DEWETRON数据采集系统。

以下实施例中，采用的导电浆液为市购，低温固化高纯度导电银浆。

实施例1

一种监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：

把导电填料(本实施例为高温膨胀-低温超声制备石墨烯纳米片)放入玛瑙研体内，并按至比，导电填料：改性表面活性剂曲拉通X-100＝1:3，加入改性表面活性剂曲拉通X-100进行研磨，研磨1h后，使用去离子水冲洗进一步超声剥离，超声剥离的温度控制在0～20℃，超声频率为2～3s，停1s，功率80～120W,超声时间为1～2小时，得到大小厚度均匀的石墨烯纳米片分散液；

步骤2：

超声完成的大小厚度均匀的石墨烯纳米片分散液与纳米纤维素分散溶液混合，使用真空抽滤法制备导电柔性纳米纸，其制备流程示意图见图1；其中，本实施例中，按质量比，导电纳米碳：纳米纤维素＝1:99；纳米纤维素的直径4～10nm，长度为1μm。

步骤3：

使用导电浆液把导线固定在导电柔性纳米纸上，然后导线和数据采集装置连接，得到监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器。

使用力学仿真模拟计算得出飞机耳片连接结构容易产生微裂纹的位置(见图3)，将制备的监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸使用界面剂固定在飞机耳片连接结构的容易产生微裂纹位置，使用封装薄膜进一步封装，界面剂与飞机耳片连接结构材料的模量相差±0.5MPa，通过监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器采集飞机耳片连接结构微裂纹损伤引起传感器电阻变化率的信息，传输至数据采集装置，通过数据采集装置分析传感器电阻变化率信息来判断飞机耳片连接结构的微裂纹损伤，其示意图见图2。

在疲劳稳定状态下的监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器电信号响应曲线，见图4，通过该图可以看出传感器监测电阻变化率稳定反映出飞机耳片连接结构没有出现微裂纹损伤。

疲劳裂纹萌生状态下的监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器电信号响应曲线，见图5，通过该图可以看出传感器1通道电阻变化率突然升高到～25％后出现一个台阶，2、3、4通道电阻变化率稳定；反映出1通道区域所属的飞机耳片连接结构区域出现了微裂纹损伤。

疲劳裂纹扩展状态下的监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器电信号响应曲线，见图6，通过该图可以看出2通道的电阻变化率经历了两次升高，而且第二次升高的幅度远大于第一次；反映了2通道所属的飞机耳片连接结构出现的微裂纹已经发生扩展并已经导致结构发生了失效。

说明能够通过本发明制备的纳米纸传感器监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变，并得到传感器电阻变化率与耳片连接结构损伤演变之间的对应性，从而通过电阻变化率既可以判断飞机耳片连接结构是否已经有裂纹产生，根据对飞机耳片连接结构失效评估，从而做出替换或改进方案。

实施例2

一种监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：

把导电填料(本实施例为碳纳米管)放入玛瑙研体内，并按至比，导电填料：表面活性剂＝1:2，加入改性表面活性剂曲拉通X-100进行研磨，研磨2h后，使用去离子水冲洗进一步超声剥离分散，超声剥离的超声频率为2～3s，停1s，功率80～120W，超声时间为1～2小时，超声过程控制温度为0～20℃，得到大小厚度均匀的导电纳米碳材料分散液；

步骤2：

超声完成的分散均匀的导电纳米碳材料分散液与纳米纤维素分散溶液混合，使用真空抽滤法制备导电柔性纳米纸；其中，本实施例中，按质量比，导电填料：纳米纤维素＝10:90；纳米纤维素的直径20～30nm，长度为1.5μm。

步骤3：

使用导电浆液把导线固定在导电柔性纳米纸上，然后导线和数据采集装置连接，得到监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器。

使用力学仿真模拟计算得出飞机耳片连接结构容易产生微裂纹的位置，使用与飞机耳片结构材料模量相差±0.5MPa的界面剂把纳米纸传感器固定在飞机耳片连接结构的容易产生微裂纹位置，使用封装薄膜进一步封装，通过监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器采集飞机耳片连接结构微裂纹损伤引起传感器电阻变化率的信息，传输至数据采集装置，通过数据采集装置分析传感器电阻变化率信息来判断耳片连接结构的微裂纹损伤。

实施例3

一种监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：

把导电填料(本实施例为碳纳米管)放入玛瑙研体内，并按至比，导电填料：表面活性剂＝1:5加入改性表面活性剂脂肪酸甘油酯进行研磨，研磨2h后，使用去离子水冲洗进一步超声剥离，超声剥离的超声频率为2～3s，停1s，功率80～120W，超声时间为1～2小时，超声过程控制温度为0～20℃，得到大小均匀的导电纳米碳材料分散液；

步骤2：

超声完成的大小均匀的导电纳米碳材料分散液与纳米纤维素分散溶液混合，使用真空抽滤法制备导电柔性纳米纸；其中，本实施例中，按质量比，导电纳米碳：纳米纤维素＝50:50；纳米纤维素的直径40～50nm，长度为2μm。

步骤3：

使用导电浆液把导线固定在导电柔性纳米纸上，然后导线和数据采集装置连接，得到监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器。

使用力学仿真模拟计算得出飞机耳片连接结构容易产生微裂纹的位置，使用与飞机耳片结构材料模量相差±0.5MPa的界面剂把纳米纸传感器固定在飞机耳片连接结构的容易产生微裂纹位置，使用封装薄膜进一步封装，通过监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器采集飞机耳片连接结构微裂纹损伤引起传感器电阻变化率的信息，传输至数据采集装置，通过数据采集装置分析传感器电阻变化率信息来判断耳片连接结构的微裂纹损伤。

实施例4

一种监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：

把导电填料(本实施例为碳纳米管)放入玛瑙研体内，并按至比，导电填料：表面活性剂＝1:4，加入改性表面活性剂脂肪醇醚硫酸钠进行研磨，研磨2h后，使用去离子水冲洗进一步超声剥离，得到大小厚度均匀的导电纳米碳材料分散液；

步骤2：

超声完成的大小厚度均匀的导电纳米碳材料分散液与纳米纤维素分散溶液混合，使用真空抽滤法制备导电柔性纳米纸；其中，本实施例中，按质量比，导电纳米碳：纳米纤维素＝80:20；纳米纤维素的直径80～90nm，长度为5μm。

步骤3：

使用导电浆液把导线固定在导电柔性纳米纸上，然后导线和数据采集装置连接，得到监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器。

使用力学仿真模拟计算得出飞机耳片连接结构容易产生微裂纹的位置，将制备的监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸使用与飞机耳片结构材料模量相当的界面剂固定在飞机耳片连接结构的容易产生微裂纹位置，使用封装薄膜进一步封装，通过监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器采集飞机耳片连接结构微裂纹损伤引起传感器电阻变化率的信息，传输至数据采集装置，通过数据采集装置分析传感器电阻变化率信息来判断耳片连接结构的微裂纹损伤。

实施例5

一种监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：

把导电填料(本实施例为碳纳米管)放入球磨钢罐内，并按至比，导电填料：表面活性剂＝1:4，加入改性表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚进行球磨，球磨速度为300rpm，以球磨20min，暂停10min进行间歇球磨，球磨2h后，使用去离子水冲洗进一步超声剥离，得到大小尺寸均匀的导电纳米碳材料分散液；

步骤2：

超声完成的大小尺寸均匀的导电纳米碳材料分散液与纳米纤维素分散溶液混合，使用真空抽滤法制备导电柔性纳米纸；其中，本实施例中，按质量比，导电纳米碳：纳米纤维素＝99:1；纳米纤维素的直径70～80nm，长度为2μm。

步骤3：

使用导电浆液把导线固定在导电柔性纳米纸上，然后导线和数据采集装置连接，得到监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器。

使用力学仿真模拟计算得出飞机耳片连接结构容易产生微裂纹的位置，使用与飞机耳片结构材料模量相差±0.5MPa的界面剂将制备的监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器固定在飞机耳片连接结构的容易产生微裂纹位置，使用封装薄膜进一步封装，通过监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器采集飞机耳片连接结构微裂纹损伤引起传感器电阻变化率的信息，传输至数据采集装置，通过数据采集装置分析传感器电阻变化率信息来判断耳片连接结构的微裂纹损伤。

通过以上实施例可以说明，针对飞机耳片连接结构安全状态的实时监测需求，基于电阻监测原理提出一种与飞机耳片连接结构基体材料完美集成的纳米纸传感器，并设计了相应的结构健康监测方案，进行了常幅疲劳载荷谱下的铝合金耳片结构中心孔试件的微裂纹损伤演变监测试验。通过对比纳米纸传感器阵列在线监测结果和应用显微镜观察到的微裂纹损伤演变情况，电阻变化率在10～30％以内是微裂纹的萌生，电阻变化率超过30％微裂纹就发生了扩展，电阻变化率超过500％时结构发生失效已经不能安全服役，验证了导电柔性纳米纸传感器对耳片结构微裂纹损伤演变的实时健康监测能力。

对比例

一种监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器，同实施例1，不同之处在于，本实施例采用的纳米纤维素的直径60nm，长度为0.5μm，因为纳米纤维素长度不够，因此其检测裂纹萌生灵敏度不高，不能及时判断飞机耳片连接结构安全状态。

Claims (10)

1.一种监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器，其特征在于，该监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器包括导电柔性纳米纸、导电浆液、导线和数据采集装置，导电柔性纳米纸通过导电浆液和导线连接，导线和数据采集装置连接；

所述的监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器用于监测飞机耳片连接结构处电阻变化数据，并将数据传输至数据采集装置进行处理，数据采集装置根据电阻变化率，得到飞机耳片连接结构的微裂纹损伤演变情况。

2.根据权利要求1所述的监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器，其特征在于，所述的电阻变化率的计算公式为：

R₀为初始电阻，R为测量电阻。

3.根据权利要求1所述的监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器，其特征在于，当电阻变化率≤10％，飞机耳片连接结构无裂纹损伤，当10％<电阻变化率≤30％则是飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的裂纹萌生阶段；当30％<电阻变化率<500％，则是飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的裂纹扩展阶段，当电阻变化率≥500％时，则是飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的瞬间断裂阶段，则发生失效，不能继续安全服役。

4.一种监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：

将导电填料和改性表面活性剂混合研磨或球磨，研磨或球磨3～10h，加入去离子水超声剥离分散，得到大小和厚度均匀的导电纳米碳材料分散液；其中，导电填料为热膨胀石墨和/或碳纳米管；

按质量比，导电填料：改性表面活性剂＝1:(2～5)；

步骤2：

将导电填料分散液和纳米纤维素分散液混合均匀，真空抽滤，得到导电柔性纳米纸；按质量比，导电填料：纳米纤维素＝(1～99):(99～1)；

步骤3：

用导电浆液将导线固定在导电柔性纳米纸上，然后和数据采集装置连接，得到监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器。

5.根据权利要求4所述的监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，改性表面活性剂为：脂肪酸甘油酯、曲拉通X-100、脂肪醇醚硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚、苯磺酸钠类中一种。

6.根据权利要求4所述的监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，球磨过程选用钢罐，球选用氧化锆球、碳化钨球、不锈钢球中一种，球磨速度200～600rpm，球磨程序选择球磨15～20min、暂停8～10min。

7.根据权利要求4所述的监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，超声功率为80～120W，且在超声过程中，每超声2～3s，停顿1s，超声过程控制温度为0～20℃。

8.根据权利要求4所述的监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中，纳米纤维素的直径4～100nm，长度≥1μm。

9.一种监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

对飞机耳片连接结构中容易出现裂纹位置进行仿真计算分析，采用界面剂将监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器固定在飞机耳片连接结构的容易出现裂纹位置上；所述的界面剂的模量和飞机耳片连接结构使用的材料模量相差±0.5MPa；使用封装薄膜进一步封装；

通过监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器采集飞机耳片连接结构微裂纹损伤引起传感器电阻变化率的信息，传输至数据采集装置，通过数据采集装置分析传感器电阻变化率信息来判断飞机耳片连接结构的微裂纹损伤。

10.根据权利要求9所述的监测飞机耳片连接结构裂纹损伤演变的纳米纸传感器的使用方法，其特征在于，其中，飞机耳片连接结构中容易出现裂纹位置，采用以下方法确定：

通过力学仿真模拟计算得出飞机耳片连接结构容易产生微裂纹的位置，从而有效的布控纳米纸传感器。

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