CN113799418A - 智能复合材料螺栓的制备方法、复合材料螺栓及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及复合材料技术领域，特别涉及一种智能复合材料螺栓的制备方法、复合材料螺栓及使用方法，制备方法包括将碳纤维浸泡在树脂胶液中；将浸泡后的碳纤维按一定规律布置形成预制体；采用表面绝缘的导电纱线按预设的涡流线圈走线对预制体进行局部缝合；将缝合好的预制体放入成型模具中成型成复合材料螺栓。通过采用表面绝缘的导电纱线按预设的涡流线圈走线对预制体进行局部缝合，最后放入成型模具中成型成螺栓解决现有方法在实际检测时对检测现场要求高，无法检测螺栓内部裂纹和孔边损伤的问题，从而使制得的螺栓力学性能提高、减少涡流线圈的磨损，延长使用寿命，并实现实时监测螺栓及其连接结构的健康状态，预测结构寿命的效果，保证安全。

Description

智能复合材料螺栓的制备方法、复合材料螺栓及使用方法

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，特别涉及一种智能复合材料螺栓的制备方法、复合材料螺栓及使用方法。

背景技术

机械连接是多层连接结构常用的连接方式，用于传递较高的载荷，其方式有螺栓连接、销钉连接和铆钉连接等。中，螺栓连接由于其可靠性高、承载能力强、便于重复拆装以及使用维护简便等特点被广泛应用于航空航天连接结构。由于飞机在整个飞行寿命期间，长期并循环承受各种形式的载荷，又飞行环境恶劣，常在带有盐水环境中飞行，作为主承力构件的飞机金属结构容易磨损、腐蚀、疲劳。而连接结构由于孔边应力集中，载荷形式复杂等特点，极易造成结构失效。已有研究表明，接近80％的结构失效是由连接结构造成的。随着科学技术的进步，特别是航空航天领域高精尖技术的迅猛发展，传统金属材料已不能完全满足使用需求。与传统金属材料相比，复合材料有着质量轻、比强度高、比模量高、热膨胀系数小与尺寸稳定等诸多优点。目前复合材料已经发展成为与金属材料、无机非金属材料、高分子材料并列的四大材料体系之一。

CN106153721A的专利《一种螺栓裂纹检测方法及螺纹裂纹检测装置》，公布日为2016.11.23，公开了一种螺栓裂纹检测方法及螺栓裂纹检测装置，所述螺栓裂纹检测方法包含以下步骤：S1,设计加工含标准深度模拟裂纹的对比试块；S2，定制超声波双晶探头；S3，在对比试块上进行超声灵敏度调节，取超声波高60％为检测基准波高；S4，若在始波与底波之间没有出现超出基准波高的波形信号，则判定该螺栓没有裂纹；若在始波与底波之间出现超出基准波高的波形信号，判定该螺栓裂纹超标。所述螺栓裂纹检测装置包含超声波探伤仪、超声波双晶探头、耦合剂、对比试块；所述耦合剂用于将所述超声波双晶探头耦合到被检测螺栓的钉盖上；所述超声波双晶探头通过信号线连接到所述超声波探伤仪。本发明的螺栓裂纹检测方法及装置能够满足小裂纹的检测，灵敏度高。

然而该方法在裂纹检测中可以发挥一定作用，但是具有较大的局限性：在实际检测时对检测现场要求高，无法检测螺栓内部裂纹和孔边损伤。

发明内容

为解决上述现有技术中在实际检测时对检测现场要求高，无法检测螺栓内部裂纹和孔边损伤的不足，本发明提供一种智能复合材料螺栓的制备方法，包括以下步骤：

将碳纤维浸泡在树脂胶液中；

将浸泡后的所述碳纤维按一定规律布置形成预制体；

采用表面绝缘的导电纱线按预设的涡流线圈走线对所述预制体进行局部缝合；

将缝合好的所述预制体放入成型模具中成型成复合材料螺栓。

在一实施例中，将浸泡后的所述碳纤维以平面铺设的形式按一定规律布置形成所述预制体，采用表面绝缘处理的所述导电纱线按照预设的涡流线圈走线对所述预制体进行局部缝合。

在一实施例中，通过螺旋缠绕技术将连续的所述碳纤维交叉缠绕在回转体芯模表面形成所述预制体，将所述预制体展开，采用表面绝缘处理的所述导电纱线按照预设的涡流线圈走线对展开后的所述预制体进行局部缝合。

在一实施例中，所述涡流线圈用于与外部测试电路相连接，所述涡流线圈可以是单激励—单接收或单激励—多接收的平行四边形/三角形线圈中的一种或多种。

在一实施例中，所述局部缝合工艺可以为缝合纱线、锁式/链式缝合工艺中的一种或多种。

在一实施例中，将不同材质的所述导电纱线按照预先设计的涡流传感器内若干个涡流线圈的分布规律缝合至所述预制体。

在一实施例中，将缝合好的所述预制体进行充分的树脂胶液浸润后形成模压成型前的模压料，将所述模压料放入模压成型模具中成型成复合材料螺栓。

本发明还提供一种复合材料螺栓，包括安装部和连接部，所述复合材料螺栓由碳纤维、树脂和表面绝缘的导电纱线通过模具成型制成，其中，所述导电纱线形成涡流线圈，涡流线圈嵌入由碳纤维制成的所述复合材料螺栓的内部，且碳纤维包裹于所述涡流线圈的外层。

在一实施例中，所述涡流线圈为环向、轴向按照一定的规律分布的导电纱线形成的线圈阵列，以实现通过特定角度、深度线圈的感应电压是否变化来辨识复合材料螺栓及其连接结构中的损伤角度和深度，通过线圈的感应电压变化来表征损伤扩展度。

本发明还提供一种复合材料螺栓的使用方法，其中，所述复合材料螺栓采用上述智能复合材料螺栓的制备方法制备的复合材料螺栓，或者为上述的复合材料螺栓，使用方法如下：

在没有损伤时测量一组涡流线圈的感应电压信号作为比较信号；

检测时，高频交变电流源发送交变信号至各涡流线圈的激励线圈，涡流传感器内部由若干涡流线圈组成的接收线圈层通过信号采样系统连接到信号显示及处理系统，切换开关转换器，使得传感器内部各接收线圈的感应电压依次输入至所述信号显示及处理系统得到特定角度、深度线圈的实时感应电压信号；

所述信号显示及处理系统通过获取的特定角度、深度涡流线圈的实时感应电压信号与比较信号比较来辨识损伤角度和深度，通过涡流线圈的感应电压变化来表征损伤扩展度。

基于上述，与现有技术相比，本发明所提供的一种智能复合材料螺栓的制备方法、复合材料螺栓及使用方法，其中，制备方法通过采用表面绝缘的导电纱线按预设的涡流线圈走线对预制体进行局部缝合，最后放入成型模具中成型成螺栓解决了现有方法在实际检测时对检测现场要求高，无法检测螺栓内部裂纹和孔边损伤的问题，从而使制得的螺栓力学性能提高、并且减少涡流线圈的磨损，延长其使用寿命，并实现实时监测螺栓及其连接结构的健康状态，预测结构寿命的效果，保证安全。本发明提供复合材料螺栓的使用方法，检测高效，能实时监测螺栓及其连接结构的健康状态，预测螺栓及其连接结构的寿命。

本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；在下面描述中附图所述的位置关系，若无特别指明，皆是图示中组件绘示的方向为基准。

图1为本发明提供的智能复合材料螺栓的制备方法步骤图；

图2为本发明提供的智能复合材料螺栓制作工艺流程图

图3为本发明提供的预制体制作中螺旋缠绕示意图；

图4为本发明提供的成型模具结构图；

图5为本发明提供的复合材料螺栓使用方法示意图。

附图标记：

10、回转体芯模 20、成型模具 21、左芯模

22、右芯模 23、顶针 30、螺栓

31、螺杆 32、螺纹 33、螺帽

40、螺母 50、高频交变电流源 60、信号显示及处理系统

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，本发明所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义，不能理解为对本发明的限制；应进一步理解，本发明所使用的术语应被理解为具有与这些术语在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义来理解，除本发明中明确如此定义之外。

下面给出具体实施方式：

参考图1，一种复合材料螺栓的制备方法，包括以下步骤：

将碳纤维浸泡在树脂胶液中；

将浸泡后的所述碳纤维按一定规律布置形成预制体；

采用表面绝缘的导电纱线按预设的涡流线圈走线对所述预制体进行局部缝合；

将缝合好的所述预制体放入成型模具中成型成复合材料螺栓。

采用涡流线圈与复合材料螺栓的零干涉集成制备方法制得的复合材料螺栓，即将涡流传感线圈通过局部三维缝合技术嵌入由复合材料制作的螺栓内部，涡流线圈嵌入复合材料内部既作为复合材料螺栓的一部分增强层间性能，能够使其更好地应用在环境条件苛刻的航空航天领域，更有利于减少涡流线圈的磨损，延长其使用寿命，又可以充分发挥复合材料螺栓耐腐蚀、轻量化的优点；涡流线圈又能用于损伤诊断，实现复合材料螺栓的自我监测与健康管理。其中，采用表面绝缘的导电纱线，以防止导线纱线和碳纤维接触短路。

与现有技术相比，本发明所提供的一种智能复合材料螺栓的制备方法，通过采用表面绝缘的导电纱线按预设的涡流线圈走线对预制体进行局部缝合，最后放入成型模具中成型成螺栓解决了现有方法在实际检测时对检测现场要求高，无法检测螺栓内部裂纹和孔边损伤的问题，从而使制得的螺栓力学性能提高、并且减少涡流线圈的磨损，延长其使用寿命，并实现实时监测螺栓及其连接结构的健康状态，预测结构寿命的效果，保证安全。

具体的：参考图2

使用树脂以及各种助剂制成树脂胶液，将碳纤维浸泡在适量的树脂胶液中，形成预浸料。

在一实施例中，将浸泡后的碳纤维以平面铺设的形式按一定规律布置形成预制体，采用表面绝缘处理的导电纱线按照预设的涡流线圈走线对预制体进行局部缝合。其中，以平面铺设的形式按一定规律布置，可以是通过螺旋缠绕技术将连续的碳纤维交叉缠绕在回转体芯模10表面后、并分切展开时碳纤维的分布规律。该方法步骤简单，效率高。其中，导电纱线可以是碳纤维束或铜线。

具体的，另一实施例中，将浸泡后的碳纤维缠绕在回转体芯模10表面形成预制体：

用回转体芯模10作为中心，利用预浸料的自身粘度，通过螺旋缠绕技术将连续的碳纤维交叉缠绕在回转体芯模10表面，缠绕完成后形成预制体。其中，交叉缠绕为按X型缠绕。通过该方式所制得的螺栓，由于缠绕方式均匀，力学性能更好。

较佳的，参考图3，缠绕时，回转体芯模10以恒定速度绕其轴线匀速旋转、导丝头沿回转体芯模10轴向方向循环往复运动，从而使得能将碳纤维缠绕在回转体芯模10圆筒段和封头段，相比于环向缠绕，提高缠绕面积。回转体芯模10可以为但不限于钢棒。

较佳的，考虑到固化后可能出现的体积收缩问题，可适量增加预浸料的缠绕层数。

缠绕完成后，将筒身段的缠绕层纵向分切从而将预制体展开，采用表面绝缘处理的导电纱线按照预设的涡流线圈走线对展开后的预制体进行局部缝合。其中，导电纱线可以是碳纤维束或铜线。

在步骤采用导电纱线按预设的涡流线圈走线对预制体进行局部缝合中，具体的：涡流线圈用于与外部测试电路相连接，涡流线圈可以是单激励—单接收或单激励—多接收的平行四边形/三角形线圈中的一种或多种；局部缝合工艺可以为缝合纱线、锁式/链式缝合工艺中的一种或多种；较佳的，将不同材质的导电纱线按照预先设计的涡流传感器内若干个涡流线圈的分布规律缝合至预制体。

实施时，涡流线圈与外部测试电路的连接，可以为不同材质的缝合纱线、锁式/链式两种缝合工艺制备的单激励-单接收或单激励-多接收的平行四边形/三角形两种线圈；在碳纤维预制体中添加相应的导电纱线在连接构件中产生涡流，进而通过涡流的信号变化反演螺栓中可能存在的损伤，进而实现复合材料智能螺栓监测性能的优化。

然后，将缝合好的预制体进行充分的树脂胶液浸润后形成模压成型前的模压料，将模压料放入模压成型模具中成型成复合材料螺栓。较佳的，考虑到后续螺栓的形状、尺寸，将缝合好的预制体裁剪成合适的大小并将其卷制圆筒状。

采用模压法制备碳纤维增强复合材料螺栓，不仅能省去有损产品性能的辅助机械加工、提高螺纹连接强度，还可以提高产品表面质量、缩短生产周期，同时产品的尺寸重复性好，适用于工业领域的大批量生产。

具体的，按照成型的螺栓30尺寸设计模压成型的模具，参考图4，压模的主要成型压力为轴向，成型零件包括成型螺纹32和螺杆31的左芯模21、右芯模22以及顶针23。顶针23配合凹模完成螺栓30六角头螺帽33部分的成型，左芯模21、右芯模22滑块组成的凹模则完成螺栓30的螺杆31及螺纹32部分的成型，该螺杆31为嵌入涡流线圈的螺杆。最后清洁并涂抹脱模剂，将模压料卷成桶状，预热后放入模具，按照要求加温加热，成型为复合材料螺栓。

本发明还提供一种复合材料螺栓，包括安装部和连接部，安装部用于与安装工具连接，连接部用于与适配的孔位或螺母40连接。复合材料螺栓由碳纤维、树脂和表面绝缘的导电纱线通过模具成型制成，导电纱线形成涡流线圈，涡流线圈嵌入由碳纤维制成的复合材料螺栓的内部，且碳纤维包裹于涡流线圈的外层。复合材料螺栓的涡流传感器内部由若干涡流线圈组成接收线圈层。

参考图5，安装部为螺帽33，连接部为螺杆31，螺杆31上设有螺纹32，螺栓30与螺母40连接配合以安装固定机构。该螺杆31为嵌入涡流线圈的螺杆。

较佳的，涡流线圈为环向、轴向按照一定的规律分布的导电纱线形成的线圈阵列，以实现通过特定角度、深度线圈的感应电压是否变化来辨识复合材料螺栓及其连接结构中的损伤角度和深度。较好的，导电纱线可以为多种不同材质的纱线，可以是但不限于碳纤维束或铜线。形成的线圈阵列可以是CN201710712420.6、CN201810534271.3、CN201710866543.5、CN201710866543.5和CN201911140358.3公开的涡流线圈构型中的一种以检测监测螺栓及其连接结构的健康状态。连接结构指的是螺栓加上被连接的结构。

该复合材料螺栓可以由上述智能复合材料螺栓的制备方法制成，具体包括以下步骤：将碳纤维浸泡在树脂胶液中；将浸泡后的碳纤维按一定规律布置形成预制体；采用表面绝缘的导电纱线按预设的涡流线圈走线对预制体进行局部缝合；将缝合好的预制体放入成型模具中成型成复合材料螺栓。其中，成型模具20可以是模压成型模具。

该复合材料螺栓，由于涡流线圈与复合材料螺栓的零干涉集成，涡流线圈既作为复合材料螺栓的一部分增强层间性能，能够使其更好地应用在环境条件苛刻的航空航天领域，更有利于减少涡流线圈的磨损，延长其使用寿命，又可以充分发挥复合材料螺栓耐腐蚀、轻量化的优点；涡流线圈还能用于损伤诊断，实现复合材料螺栓及其连接结构的自我监测与健康管理，且在检测时无需拆除检测。

本发明还提供一种复合材料螺栓的使用方法，参考图5，其中，所述复合材料螺栓采用上述的智能复合材料螺栓的制备方法制备的复合材料螺栓，或者为上述复合材料螺栓，使用方法如下：

在没有损伤时测量一组复合材料螺栓的感应电压信号作为比较信号；

检测时，高频交变电流源50发送交变信号至各涡流线圈的激励线圈，涡流传感器内部由若干涡流线圈组成的接收线圈层通过信号采样系统连接到信号显示及处理系统60，切换开关转换器，使得传感器内部各接收线圈的感应电压依次输入至信号显示及处理系统60得到特定角度、深度线圈的实时感应电压信号。

信号显示及处理系统60通过获取的特定角度、深度涡流线圈的实时感应电压信号与比较信号比较来辨识损伤角度和深度，通过线圈的感应电压变化来表征损伤扩展度。通过比较检测时信号和没有损伤时信号的差异来评估损伤的参数，当没有损伤时，各涡流线圈实时感应电压信号和比较信号应是一样的。

该使用方法，检测高效，能辨识复合材料螺栓及其连接结构中的损伤角度和深度，能实时监测螺栓及其连接结构的健康状态，从而预测螺栓及其连接结构的寿命。

本发明还提供一种复合材料螺栓在航空航天领域的应用，其中，复合材料螺栓采用上述的智能复合材料螺栓的制备方法制备的复合材料螺栓，或者为上述复合材料螺栓，使用方法为上述提供的复合材料螺栓的使用方法；具体使用时，作为复合材料螺栓作为航天器结构的连接件，能够为在线准确评价结构完整性、保障飞机飞行安全提供新的监测手段，为实时监测失效演化进程、优化结构设计提供技术和数据支持。

综上所述，与现有技术相比，本发明所提供的一种智能复合材料螺栓的制备方法、复合材料螺栓及使用方法，其中，制备方法通过采用表面绝缘的导电纱线按预设的涡流线圈走线对预制体进行局部缝合，最后放入成型模具中成型成螺栓解决了现有方法在实际检测时对检测现场要求高，无法检测螺栓内部裂纹和孔边损伤的问题，从而使制得的螺栓力学性能提高、并且减少涡流线圈的磨损，延长其使用寿命，并实现实时监测螺栓及其连接结构的健康状态，预测结构寿命的效果，保证安全。本发明提供复合材料螺栓的使用方法，检测高效，能实时监测螺栓的健康状态，预测螺栓的寿命。

另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。

尽管本文中较多的使用了诸如碳纤维、树脂溶液、预制体、导电纱线、涡流线圈、成型模具、复合材料螺栓……术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的；本发明实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

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各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种智能复合材料螺栓的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

将碳纤维浸泡在树脂胶液中；

将浸泡后的所述碳纤维按一定规律布置形成预制体；

采用表面绝缘的导电纱线按预设的涡流线圈走线对所述预制体进行局部缝合；

将缝合好的所述预制体放入成型模具中成型成复合材料螺栓。

2.根据权利要求1所述的智能复合材料螺栓的制备方法，其特征在于：将浸泡后的所述碳纤维以平面铺设的形式按一定规律布置形成所述预制体，采用表面绝缘处理的所述导电纱线按照预设的涡流线圈走线对所述预制体进行局部缝合。

3.根据权利要求1所述的智能复合材料螺栓的制备方法，其特征在于：通过螺旋缠绕技术将连续的所述碳纤维交叉缠绕在回转体芯模表面形成所述预制体，将所述预制体展开，采用表面绝缘处理的所述导电纱线按照预设的涡流线圈走线对展开后的所述预制体进行局部缝合。

4.根据权利要求2或3所述的智能复合材料螺栓的制备方法，其特征在于：所述涡流线圈用于与外部测试电路相连接，所述涡流线圈可以是单激励—单接收或单激励—多接收的平行四边形/三角形线圈中的一种或多种。

5.根据权利要求4所述的智能复合材料螺栓的制备方法，其特征在于：所述局部缝合工艺可以为缝合纱线、锁式/链式缝合工艺中的一种或多种。

6.根据权利要求5所述的智能复合材料螺栓的制备方法，其特征在于：将不同材质的所述导电纱线按照预先设计的涡流传感器内若干个涡流线圈的分布规律缝合至所述预制体。

7.根据权利要求1所述的智能复合材料螺栓的制备方法，其特征在于：将缝合好的所述预制体进行充分的树脂胶液浸润后形成模压成型前的模压料，将所述模压料放入模压成型模具中成型成复合材料螺栓。

8.一种复合材料螺栓，包括安装部和连接部，其特征在于：所述复合材料螺栓由碳纤维、树脂和表面绝缘的导电纱线通过模具成型制成，其中，所述导电纱线形成涡流线圈，涡流线圈嵌入由碳纤维制成的所述复合材料螺栓的内部，且碳纤维包裹于所述涡流线圈的外层。

9.根据权利要求8所述的复合材料螺栓，其特征在于：所述涡流线圈为环向、轴向按照一定的规律分布的导电纱线形成的线圈阵列，以实现通过特定角度、深度线圈的感应电压是否变化来辨识复合材料螺栓及其连接结构中的损伤角度和深度，通过线圈的感应电压变化来表征损伤扩展度。

10.一种复合材料螺栓的使用方法，其特征在于：其中，所述复合材料螺栓采用如权利要求1-7任一项所述的智能复合材料螺栓的制备方法制备的复合材料螺栓，或者为如权利要求8或9所述的复合材料螺栓，使用方法如下：

在没有损伤时测量一组涡流线圈的感应电压信号作为比较信号；

检测时，高频交变电流源发送交变信号至各涡流线圈的激励线圈，涡流传感器内部由若干涡流线圈组成的接收线圈层通过信号采样系统连接到信号显示及处理系统，切换开关转换器，使得传感器内部各接收线圈的感应电压依次输入至所述信号显示及处理系统得到特定角度、深度线圈的实时感应电压信号；

所述信号显示及处理系统通过获取的特定角度、深度涡流线圈的实时感应电压信号与比较信号比较来辨识损伤角度和深度，通过涡流线圈的感应电压变化来表征损伤扩展度。

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