CN114687047A

CN114687047A - 一种碳纤维织造过程损伤监测方法

Info

Publication number: CN114687047A
Application number: CN202210500161.1A
Authority: CN
Inventors: 程晓颖; 刘俊领; 应志平; 吴震宇
Original assignee: Zhejiang Sci Tech University ZSTU
Current assignee: Zhejiang Sci Tech University ZSTU
Priority date: 2022-05-07
Filing date: 2022-05-07
Publication date: 2022-07-01

Abstract

本发明涉及一种碳纤维织造过程损伤监测的方法，包括以下步骤：1)通过选择碳纤维丝束的根数、纱锭的头数、编织角、编织速度来确定编织参数；2)编制参数确定之后启动电机进行编织，编织一定长度后暂停，在芯轴末端以及与导向环相连的支架处涂抹绝缘胶；3)在导向环上入电源正极，在芯轴末端接入电源负极；使用电压表的两端分别接到导向环和芯轴末端上对电阻进行实时测量，4)参考曲线的建立：在不同的编织参数的条件下，根据已知的数据建立起电阻的阻值与织物的损伤程度之间的正相关关系，从而达到对碳纤维织造过程的损伤监测。该方法在保证不影响碳纤维织物正常制备的前提下，能够对材料进行有效的实时损伤监测。

Description

一种碳纤维织造过程损伤监测方法

技术领域

本发明涉及一种基于材料的导电性能来对损伤进行监测的方法，具体涉及在不同编织参数的情况下，通过导电材料的电学特性，在编织的过程中对织物成型进行监测，从而判断织物的损伤程度，属于无损检测技术领域。

背景技术

碳纤维由碳元素组成的一种特种纤维。具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，外形呈纤维状、柔软、可加工成各种织物，由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量。碳纤维的密度小，因此比强度和比模量高。碳纤维的主要用途是作为增强材料与树脂、金属、陶瓷及炭等复合，制造先进复合材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度及比模量在现有工程材料中是最高的。

但是碳纤维在织造过程中会产生损伤，对最终得到纤维增强复合材料性能有极大影响，如果不能在织造过程中碳纤维的损伤进行监测，会造成最终制备的复合材料构件的强度下降，带来安全隐患。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种碳纤维织造过程损伤监测的方法，基于材料损伤时的电阻变化，采用感知方法进行无损、在线测试，在保证不影响碳纤维织物正常制备的前提下，能够对材料进行有效的实时损伤监测。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种碳纤维织造过程损伤监测方法，其包括如下工艺步骤：

1)编织参数：通过选择碳纤维丝束的根数、纱锭的头数、编织角、编织速度来确定编织参数；

2)编织：编制参数确定之后启动电机进行编织，编织一定长度后暂停，在芯轴末端以及与导向环相连的支架处涂抹绝缘胶；

3)损伤测定：在导向环上入电源正极，在芯轴末端接入电源负极，使用电压表的两端分别接到导向环和芯轴末端上对电阻进行实时测量；

4)参照曲线：使用径向编织机织造的过程中由于人工操作或者每一根碳纤维相互之间的摩擦等等因素而产生毛刺或者断裂等损伤从而导致的测量阻值的变化，在不同的编织参数的条件下，根据所得的数据建立电阻的阻值与织物的损伤程度之间的关系得到参照曲线，实时测定的电阻与参照曲线电阻对照，从而达到对碳纤维织造过程的损伤监测。

进一步的，所述步骤1)中编织参数分为三部分，第一部分是选择若干K的单根组成的碳纤维丝束；第二部分是选择在环形径向编织机确定纱锭的头数；第三部分是选择由机械手控制芯轴时的初始深度以及进给速度。

进一步的，所述步骤2)中编织采用环形径向编织装置，该装置包括芯轴和导向环；所述芯轴保持碳纤维的张紧，并确定织物形状并固定织物的位置；所述碳纤维通过导向环在芯轴表面进行编织。

进一步地，所述步骤3)中所述电阻测定采用电流注入和数据采集装置，该装置包括能产生毫安级电流的电流源、高精度的电压表以及电极对，将电极分别固定在导向环和芯轴上，通入电流并实时监测。

进一步地，所述步骤4)中参照曲线数据建立：把电流通过的导向环、丝束、芯轴分为三个部分，导向环电阻定义为R1，导向环与芯轴之间的由头数所确定并联的丝束为R2，编织件与芯轴所并联的电阻为R3，R1固定不变，R3中芯轴的导电性较好，其电阻忽略不计，于是通过R2的变化建立起与损伤程度之间的正相关关系，参照相对应的曲线完成实时监测。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明的碳纤维织造过程损伤监测方法采用材料本身具有通过刺激反应特性自我报告自身状况的内在能力，利用材料对电流的刺激反应障碍来实现材料的结构健康监测。

2.本发明的碳纤维织造过程损伤监测方法，是一种无侵入、无损伤、无辐射的一种监测方式，能够在保证不影响碳纤维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检测。

附图说明

图1是环形径向编织装置的结构示意图。

图2是电流注入和数据采集装置的结构示意图。

图3是建立的电阻变化率与损伤率之间的正相关关系。

附图标识：1-环形径向编织装置2-纱锭3-导向环4-芯轴5-支架6-碳纤维7-电流源8-织物9-电压表

具体实施方式

下面将结合具体实施和说明书附图对本发明进行进一步说明，旨在加深对本发明的理解。

一种碳纤维织造过程损伤监测方法，包括如下工艺步骤：

1)将碳纤维6进行编织形成织物8，具体的说，所述编织过程中采用一种环形径向编织装置1，该装置包括纱锭2、芯轴4和导向环3；所述芯轴4保持碳纤维6的张紧，并确定织物形状并固定织物的位置，纱锭2按所需均匀安置在环形径向编织装置1。所述碳纤维6通过导向环3在芯轴4表面进行编织。所述碳纤维6具有一定的编织角，通过操纵机械臂对芯轴4进行控制，基于初始深度、转速以及进给速度来调整编织角度。

2)涂抹绝缘胶，为防止使用电流源7进行电流注入时会造成接地导致测量数据的不稳定，于是在导向环3与支架5接触的地方涂抹绝缘胶，在机械臂控制的芯轴4末端涂抹绝缘胶。

3)建立状态监测以及数据采集装置，该装置包括该装置包括能产生毫安级电流的电流源7、高精度的电压表9，分别将电流源7以及电压表9的正极接入到导向环3上，将电流源7以及电压表9的负极接入到芯轴4上。

4)根据电压表9所得的数据建立起电阻的阻值与织物的损伤程度之间的正相关关系：把电流通过的导向环3、丝束、芯轴4分为三个部分，导向环3电阻定义为R1，导向环3与芯轴4之间的由头数所确定并联的丝束为R2，编织件与芯轴所并联的电阻为R3，R1固定不变，R3中芯轴的导电性较好电阻忽略不计，于是通过R2的变化建立起与损伤程度之间的正相关关系，对于本实例中采用的12K碳纤维，当损伤率达到10％的时候，电阻变化率为2.381％，依次递增，当损伤率达到50％的时候，电阻变化率为16.156％,因此，可以根据实时监测的电阻与该曲线对比得到纤维的损伤情况。

Claims

1.一种碳纤维织造过程损伤监测方法，其包括如下工艺步骤：

4)参照曲线：使用径向编织机织造的过程中由于人工操作或者每一根碳纤维相互之间的摩擦等因素而产生毛刺或者断裂等损伤从而导致的测量阻值的变化建立数据，在不同的编织参数的条件下，根据所得的数据建立电阻的阻值与织物的损伤程度之间的关系得到参照曲线，实时测定的电阻与参照曲线电阻对照，从而达到对碳纤维织造过程的损伤监测。

2.如权利要求1所述监测方法，其特征在于，所述步骤1)中编织参数分为三部分，第一部分是选择若干K的单根组成的碳纤维丝束；第二部分是选择在环形径向编织机确定纱锭的头数；第三部分是选择由机械手控制芯轴时的初始深度以及进给速度。

3.如权利要求1所述监测方法，其特征在于，所述步骤2)中编织采用环形径向编织装置，该装置包括芯轴和导向环；所述芯轴保持碳纤维的张紧，并确定织物形状并固定织物的位置；所述碳纤维通过导向环在芯轴表面进行编织。

4.如权利要求1-3任意一项权力要去所述监测方法，其特征在于，所述步骤3)中所述电阻测定采用电流注入和数据采集装置，该装置包括能产生毫安级电流的电流源、高精度的电压表以及电极对，将电极分别固定在导向环和芯轴上，通入电流并实时监测。

5.如权利要求4所述监测方法，其特征在于，所述步骤4)中参照曲线数据建立：把电流通过的导向环、丝束、芯轴分为三个部分，导向环电阻定义为R1，导向环与芯轴之间的由头数所确定并联的丝束为R2，编织件与芯轴所并联的电阻为R3，R1固定不变，R3中芯轴的导电性较好，其电阻忽略不计，于是通过R2的变化建立起与损伤程度之间的正相关关系。