CN114994133A - 基于碳基纳米传感器的复合材料预制体健康监测方法及系统 - Google Patents

基于碳基纳米传感器的复合材料预制体健康监测方法及系统 Download PDF

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单忠德
汪俊
杨建铧
孙正
王尧尧
马晓康
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Abstract

本发明涉及复合材料健康监测技术领域，尤其涉及一种基于碳基纳米传感器的复合材料预制体健康监测方法及系统。本发明中将碳基纳米传感器植入到复合材料预制体内，且不会对预制体本身的性能造成较大的影响。传感器的植入方式与复合材料预制体成形工艺统一，该传感器的使用不会增大成形工艺的难度，实现了复合材料预制体内部健康监测，并避免了其他传感器异物植入的方式可能导致的传感器破损等问题，极大提高了传感器植入的成功率。

Description

基于碳基纳米传感器的复合材料预制体健康监测方法及系统
技术领域
本发明涉及复合材料健康监测技术领域，尤其涉及一种基于碳基纳米传感器的复合材料预制体健康监测方法及系统。
背景技术
复合材料由于其具备的轻质、高比强等优越物理特性得以在航空航天、汽车、船舶、轨道交通等领域广泛应用。但传统的层合板复合材料层间性能较差，容易发生层间脱粘、翘边、分层等缺陷，而三维编织碳纤维复合材料在复合材料本身轻质、高强特性的基础上大大增强了复合材料在纵向上的强度。但三维编织复合材料成形工艺复杂，传统的传感器难以植入，缺乏有效的内部状态实时监测方法，所以三维编织复合材料预制体的结构稳定性评定存在一定的困难。
在层合板复合材料的健康监测中，导波压电陶瓷传感器和光纤光栅传感器是最为常见的两种传感器，但导波压电陶瓷传感器监测精度有限，而光纤光栅传感器应用较为广泛，但其本身质脆，在复合材料成形工艺过程中容易失效。另一方面，三维编织复合材料的成形工艺较层合板复合材料更为复杂，通常预制体相邻纤维束间隙在0.2mm左右，无法布置装置保护传感器，而且市面上较小的光纤光栅传感器直径在1mm左右，难以植入到预制体内部，强行埋入则会严重影响预制体的最终成形质量，对其力学性能造成较大影响。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于碳基纳米传感器的复合材料预制体健康监测方法及系统，使复合材料预制体传感器成功植入复合材料预制体而对预制体应力分布状态进行监测，且不会对复合材料预制体性能产生较大的影响。
技术方案：
本发明提供的基于碳基纳米传感器的复合材料预制体健康监测方法可采用以下技术方案，包括以下步骤：
(1)提供具有特制纤维束的复合材料预制体，该特制纤维束为带有若干碳基纳米传感器的纤维束；且该特制纤维束从头至尾均分布有碳基纳米传感器；
(2)特制纤维束中的碳基纳米传感器电性连接监测模块；
(3)输入各个特制纤维束标定后的响应系数到监测模块，测量特制纤维束上电阻变化情况，从而监测复合材料预制体内的应力分布状态。
进一步的，步骤(1)中，特制纤维束的制备方法包括：
(1.1)制备碳纳米管液态分散体，通过超声波脉冲持续激荡，将多层碳纳米管和氧化石墨烯分散到离子水中，制成CNTs/GO溶液
(1.2)将碳纤维束依次输送到CNTs/GO溶液、还原溶液、水洗槽和干燥站中，制备碳基特制纤维束并收束与碳纤维滚筒，取一段纤维束进行响应系数标定试验并对该束特制纤维束编号标记。
进一步的，将特制纤维束按预定设计的网格结构布置在滚筒架台上的相应位置，作为该复合材料预制体预定要进行健康监测的部位的编织纤维束，布置的特制纤维束随着编织工艺的进行逐渐形成传感器网格结构。
进一步的，步骤(3)中，通过拉伸试验对特制纤维束标定，标定出碳基纳米传感器适用的应力应变范围及电阻响应变化系数；应力应变适用范围为响应呈线性变化的范围，对特制纤维束整体进行响应系数标定，公式如下：
Figure BDA0003661081610000021
Figure BDA0003661081610000022
ρ0为特制纤维束电阻率，L0为特制纤维束长度，S0为特制纤维束横截面积；XY为该束特制纤维束的响应系数；ΔR为电阻变化值，R0为初始电阻值；dε为应变。
进一步的，所述监测模块包括状态数据采集模块、数据解调模块、数据传输模块、用户显示模块和电源模块；
状态数据采集模块用以连接碳基纳米传感器，采集复合材料预制体状态参数数据，并传输到数据解调模块；
数据解调模块用以将状态数据采集模块传输的数据进行解调，转化为数字数据，将数据传输至数据传输模块；
数据传输模块用以负责将收集到的状态数据发送至各用户显示模块，实现远距离传输；
用户显示模块用以将传输的数据转化为具体的状态参数数据显示；
电源模块用以提供电源。
进一步的，步骤(3)中，通过特制纤维束上电阻变化情况监测复合材料预制体内的应力分布状态的具体方法为：根据标定试验标定的特制纤维束XY值与预制体内特制纤维束电阻变化值，求出预制体内该特制纤维束所处的位置范围的应变值dε，公式如下：
Figure BDA0003661081610000031
XY为该束特制纤维束的响应系数，由标定试验得出；ΔR为电阻变化值，R0为初始电阻值；
有益效果：
(1)本发明提出涂覆碳基纳米传感器的特制纤维束，解决将传感器植入到复合材料预制体内的问题，且不会对预制体本身的性能造成较大的影响。碳基纳米传感器的植入方式与复合材料预制体成形工艺统一，该碳基纳米传感器的使用不会增大成形工艺的难度，实现了复合材料预制体内部健康监测。
(2)本发明提出的特制纤维束，可在预制体浸渍树脂后继续发挥健康监测的功能。
(3)将碳基纳米传感器成功编织到复合材料预制体中，避免了其他传感器异物植入的方式可能导致的传感器破损等问题，提高了碳基纳米传感器植入的成功率。
本发明还提供一种基于碳基纳米传感器的复合材料预制体健康监测系统的技术方案：
包括具有特制纤维束的复合材料预制体及监测模块；
特制纤维束为带有若干碳基纳米传感器的纤维束；且该特制纤维束从头至尾均分布有碳基纳米传感器；特制纤维束中的碳基纳米传感器电性连接监测模块；
监测模块内存储各个特制纤维束标定后的响应系数，监测模块通过测量特制纤维束上电阻变化情况，从而监测复合材料预制体内的应力分布状态。
进一步的，所述监测模块包括状态数据采集模块、数据解调模块、数据传输模块、用户显示模块和电源模块；
状态数据采集模块用以连接碳基纳米传感器，采集复合材料预制体状态参数数据，并传输到数据解调模块；
数据解调模块用以将状态数据采集模块传输的数据进行解调，转化为数字数据，将数据传输至数据传输模块；
数据传输模块用以负责将收集到的状态数据发送至各用户显示模块，实现远距离传输；
用户显示模块用以将传输的数据转化为具体的状态参数数据显示；
电源模块用以提供电源。
进一步的，在预制体中，特制纤维束处涂抹导电银浆并固化而形成与监测模块连接的电极。
附图说明
图1为植入式复合材料预制体健康监测流程图；
图2为碳基传感器碳纤维束制备工艺流程图；
图3为本发明预制体成形过程中纤维束布置示意简图；
图4为本发明复合材料预制体健康监测系统示意简图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供一种基于碳基纳米传感器的复合材料预制体健康监测方法，包括以下步骤：
(1)提供具有特制纤维束的复合材料预制体，该特制纤维束为带有若干碳基纳米传感器的纤维束；且该特制纤维束从头至尾均分布有碳基纳米传感器。
步骤(1)中，特制纤维束的制备方法包括：
(1.1)制备碳纳米管液态分散体，通过超声波脉冲持续激荡，将若干碳纳米管(CNTs)和氧化石墨烯(GO)分散到离子水中，脉冲以10秒为周期循环，制成CNTs/GO溶液；
本发明实例使用500mg碳纳米管(CNTs)和200mg氧化石墨烯(GO)通过超声脉冲仪以10s为周期分散到500mL离子水中，制成碳纳米管液态分散体。
(1.2)如图2所示，将碳纤维束通过步进电机和滑轮依次输送到CNTs/GO溶液、还原溶液、水洗槽和干燥站中，制备特制纤维束并收束与碳纤维滚筒，取一段特制纤维束进行响应系数标定试验并对该束特制纤维束编号标记。本步骤中，将制备好的碳基传感器的纤维束按预定设计的网格结构布置在滚筒架台上的相应位置，作为该复合材料预制体预定要进行健康监测的部位的编织纤维束，布置的特制纤维束会随着编织工艺的进行逐渐形成传感器网格结构。
本发明实施例使用的是长度为30m碳纤维束，步进电机的传输速度为15mm/min；所使用的还原剂为氢碘酸溶液，温度为75℃，所述还原过程持续22min；所述水洗过程中所采用的溶液为乙醇；所述干燥过程在65℃的风干箱装置中进行；对特制纤维束整体进行响应系数标定，公式如下：
Figure BDA0003661081610000041
Figure BDA0003661081610000042
ρ0为特制纤维束电阻率，L0为特制纤维束长度，S0为特制纤维束横截面积；XY为该束特制纤维束的响应系数；ΔR为电阻变化值，R0为初始电阻值；dε为应变。本发明实例中使用的16束传感器碳纤维束XY值分别为1.67、1.34、1.45、1.46、1.57、1.41、1.39、1.27、2.03、1.78、1.57、1.97、1.64、1.36、1.41、1.74。
本发明实施例中预制体为125*125导向阵列编织成形，共采用16束传感纤维束分布在X、Y两个成形方向上，每个方向上各8束固定在编织圆筒上，既作为编织原料也作为传感器使用。在预制体每层需检测的特制纤维束处涂抹导电银浆并固化，作为与监测模块连接的电极；复合材料预制体编织成型后，连接电极与预制体健康监测系统，完成传感器与监测系统的连接。本发明实例中预制体编制层数为300，每60层涂抹一次导电银浆，共5层，每层32处。
(2)特制纤维束中的碳基纳米传感器电性连接监测模块。
(3)输入各个特制纤维束标定后的响应系数到监测模块，测量特制纤维束上电阻变化情况，从而监测复合材料预制体内的应力分布状态。
本实施例中，监测模块包括状态数据采集模块、数据解调模块、数据传输模块、用户显示模块和电源模块；
状态数据采集模块用以连接碳基纳米传感器，采集复合材料预制体状态参数数据，并传输到数据解调模块；
数据解调模块用以将状态数据采集模块传输的数据进行解调，转化为数字数据，将数据传输至数据传输模块；
数据传输模块用以负责将收集到的状态数据发送至各用户显示模块，实现远距离传输；
用户显示模块用以将传输的数据转化为具体的状态参数数据显示；
电源模块用以提供电源。
实施例2
本实施例提供一种基于碳基纳米传感器的复合材料预制体健康监测系统：包括具有特制纤维束的复合材料预制体及监测模块；
特制纤维束为带有若干碳基纳米传感器的纤维束；且该特制纤维束从头至尾均分布有碳基纳米传感器；特制纤维束中的碳基纳米传感器电性连接监测模块；
监测模块内存储各个特制纤维束标定后的响应系数，监测模块通过测量特制纤维束上电阻变化情况，从而监测复合材料预制体内的应力分布状态。
与实施例1中监测模块相同，所述监测模块包括状态数据采集模块、数据解调模块、数据传输模块、用户显示模块和电源模块；
状态数据采集模块用以连接碳基纳米传感器，采集复合材料预制体状态参数数据，并传输到数据解调模块；
数据解调模块用以将状态数据采集模块传输的数据进行解调，转化为数字数据，将数据传输至数据传输模块；
数据传输模块用以负责将收集到的状态数据发送至各用户显示模块，实现远距离传输；
用户显示模块用以将传输的数据转化为具体的状态参数数据显示；
电源模块用以提供电源。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限。尽管参照前述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；其依然可以对前述实施例所记述方案进行修改，或对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换皆应在有专利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于碳基纳米传感器的复合材料预制体健康监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)提供具有特制纤维束的复合材料预制体，该特制纤维束为带有若干碳基纳米传感器的纤维束；且该特制纤维束从头至尾均分布有碳基纳米传感器；
(2)特制纤维束中的碳基纳米传感器电性连接监测模块；
(3)输入各个特制纤维束标定后的响应系数到监测模块，测量特制纤维束上电阻变化情况，从而监测复合材料预制体内的应力分布状态。
2.根据权利要求1所述的复合材料预制体健康监测方法，其特征在于：步骤(1)中，特制纤维束的制备方法包括：
(1.1)制备碳纳米管液态分散体，通过超声波脉冲持续激荡，将多层碳纳米管和氧化石墨烯分散到离子水中，制成CNTs/GO溶液
(1.2)将碳纤维束依次输送到CNTs/GO溶液、还原溶液、水洗槽和干燥站中，制备碳基特制纤维束并收束与碳纤维滚筒，取一段纤维束进行响应系数标定试验并对该束特制纤维束编号标记。
3.根据权利要求1或2所述的复合材料预制体健康监测方法，其特征在于：将特制纤维束按预定设计的网格结构布置在滚筒架台上的相应位置，作为该复合材料预制体预定要进行健康监测的部位的编织纤维束，布置的特制纤维束随着编织工艺的进行逐渐形成传感器网格结构。
4.根据权利要求3所述的复合材料预制体健康监测方法，其特征在于：步骤(3)中，通过拉伸试验对特制纤维束标定，标定出碳基纳米传感器适用的应力应变范围及电阻响应变化系数；应力应变适用范围为响应呈线性变化的范围，对特制纤维束整体进行响应系数标定，公式如下：
Figure FDA0003661081600000011
Figure FDA0003661081600000012
ρ0为特制纤维束电阻率，L0为特制纤维束长度，S0为特制纤维束横截面积；XY为该束特制纤维束的响应系数；ΔR为电阻变化值，R0为初始电阻值；dε为应变。
5.根据权利要求1所述的复合材料预制体健康监测方法，其特征在于：所述监测模块包括状态数据采集模块、数据解调模块、数据传输模块、用户显示模块和电源模块；
状态数据采集模块用以连接碳基纳米传感器，采集复合材料预制体状态参数数据，并传输到数据解调模块；
数据解调模块用以将状态数据采集模块传输的数据进行解调，转化为数字数据，将数据传输至数据传输模块；
数据传输模块用以负责将收集到的状态数据发送至各用户显示模块，实现远距离传输；
用户显示模块用以将传输的数据转化为具体的状态参数数据显示；
电源模块用以提供电源。
6.根据权利要求1所述的复合材料预制体健康监测方法，其特征在于：步骤(3)中，通过特制纤维束上电阻变化情况监测复合材料预制体内的应力分布状态的具体方法为：根据权利要求4中标定试验标定的特制纤维束XY值与预制体内特制纤维束电阻变化值，求出预制体内该特制纤维束所处的位置范围的应变值dε，公式如下：
Figure FDA0003661081600000021
XY为该束特制纤维束的响应系数，由标定试验得出；ΔR为电阻变化值，R0为初始电阻值；
7.一种基于碳基纳米传感器的复合材料预制体健康监测系统，其特征在于：包括具有特制纤维束的复合材料预制体及监测模块；
特制纤维束为带有若干碳基纳米传感器的纤维束；且该特制纤维束从头至尾均分布有碳基纳米传感器；特制纤维束中的碳基纳米传感器电性连接监测模块；
监测模块内存储各个特制纤维束标定后的响应系数，监测模块通过测量特制纤维束上电阻变化情况，从而监测复合材料预制体内的应力分布状态。
8.根据权利要求7所述的复合材料预制体健康监测系统，其特征在于：所述监测模块包括状态数据采集模块、数据解调模块、数据传输模块、用户显示模块和电源模块；
状态数据采集模块用以连接碳基纳米传感器，采集复合材料预制体状态参数数据，并传输到数据解调模块；
数据解调模块用以将状态数据采集模块传输的数据进行解调，转化为数字数据，将数据传输至数据传输模块；
数据传输模块用以负责将收集到的状态数据发送至各用户显示模块，实现远距离传输；
用户显示模块用以将传输的数据转化为具体的状态参数数据显示；
电源模块用以提供电源。
9.根据权利要求8所述的复合材料预制体健康监测系统，其特征在于：在预制体中，特制纤维束处涂抹导电银浆并固化而形成与监测模块连接的电极。
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