CN118149870A - 智能复合材料结构及其制备方法 - Google Patents

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朱海斌
马东鹏
赵家业
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Abstract

本申请涉及一种智能复合材料结构及其制备方法，智能复合材料结构包括纤维束、光纤传感器和高分子基体。光纤传感器呈长条状，纤维束和至少一光纤传感器混合编织形成编织结构，高分子基体包裹编织结构。智能复合材料结构的制备方法中，提供纤维束和光纤传感器；互相编织纤维束和至少一光纤传感器，形成编织结构；形成包裹编织结构的高分子基体，得到智能复合材料结构。本申请的智能复合材料结构中，通过光纤传感器与纤维束编织形成被高分子基体包裹的编织结构，由于平滑了纤维和光纤传感器之间的模量差异，因此具有良好的传感精度以及稳定的力学性能。

Description

智能复合材料结构及其制备方法
技术领域
本申请涉及智能复合材料技术领域，具体涉及一种智能复合材料结构及其制备方法。
背景技术
在复合材料中嵌入传感器实现其对自身工作状态及外界环境变化的感知，对复合材料结构安全性和完整性的早期预警，是确保复合材料结构服役安全最有效的方法之一。如图1所示，现有技术中，针对传感器嵌入复合材料的主要加工成型方法是将传感器10铺设于多层复合材料11中间。然而，如图2所示，由于传感器10与复合材料11尺寸差异大、刚度不匹配、接触界面复杂(接触界面曲率大、接触不完全、多层异质界面)，以及复合材料11的自身各向异性和传感器10在复合材料11内铺设的方向性，导致热压固化成型后得到的复合材料结构13，在传感器10周围易形成树脂袋12，当复合材料结构13受载时树脂袋12附近易出现应力集中现象，导致成型后的复合材料结构13的力学性能降低。因而外载荷作用时传感器10与复合材料11界面处或树脂袋12处极易出现损伤，导致成型后的复合材料结构13强度下降。
发明内容
针对上述技术问题，本申请提供一种智能复合材料结构及其制备方法，本申请的智能复合材料结构具有良好的传感精度以及稳定的力学性能。
为解决上述技术问题，本申请提供一种智能复合材料结构，包括纤维束、光纤传感器和高分子基体，所述光纤传感器呈长条状，所述纤维束和至少一所述光纤传感器混合编织形成编织结构，所述高分子基体包裹所述编织结构。
可选地，所述纤维束包括多根碳纤维组成的碳纤维束，所述纤维束的直径与所述光纤传感器的直径相匹配。
可选地，所述光纤传感器位于所述编织结构的非边缘位置，所述光纤传感器与所述纤维束之间的间距小于或等于两两相邻的所述纤维束之间的间距。
可选地，所述编织结构包括多层编织层，所述纤维束包括径向纤维束和纬向纤维束，所述光纤传感器包括与所述径向纤维束平行的径向光纤传感器，以及，与所述纬向纤维束平行的纬向光纤传感器，所述径向光纤传感器和所述纬向光纤传感器位于同一所述编织层。
可选地，所述纤维束的端部不露出所述高分子基体表面，所述光纤传感器的端部露出至所述高分子基体表面。
本申请还提供一种智能复合材料结构的制备方法，包括以下步骤：
S201.提供纤维束和光纤传感器，所述光纤传感器呈长条状；
S202.互相编织所述纤维束和至少一所述光纤传感器，形成编织结构；
S203.形成包裹所述编织结构的高分子基体，得到智能复合材料结构。
可选地，所述S201步骤，包括：
将多根碳纤维组成所述纤维束，使得所述纤维束的直径与所述光纤传感器的直径相匹配。
可选地，所述S201步骤，包括：
提供纤维束，所述纤维束包括径向纤维束和纬向纤维束；以及，提供光纤传感器，所述光纤传感器包括用于与径向纤维束平行编织的径向光纤传感器，以及用于与纬向纤维束平行编织的纬向光纤传感器。
可选地，所述S202步骤，包括：
将所述纤维束和所述光纤传感器混合编织成多层编织层；
将所述径向光纤传感器和所述纬向光纤传感器设于同一所述编织层。
可选地，所述S203步骤，包括：
对所述编织结构进行高分子基体预浸渍；
热压固化后形成包裹所述编织结构的高分子基体，其中，所述光纤传感器的端部露出至所述高分子基体表面。
本申请涉及一种智能复合材料结构及其制备方法，智能复合材料结构包括纤维束、光纤传感器和高分子基体，光纤传感器呈长条状，纤维束和至少一光纤传感器混合编织形成编织结构，高分子基体包裹编织结构。智能复合材料结构的制备方法中，提供纤维束和光纤传感器；互相编织纤维束和至少一光纤传感器，形成编织结构；形成包裹编织结构的高分子基体，得到智能复合材料结构。本申请的智能复合材料结构中，通过光纤传感器与纤维束编织形成被高分子基体包裹的编织结构，由于平滑了纤维和光纤传感器之间的模量差异，因此具有良好的传感精度以及稳定的力学性能。
附图说明
图1是现有技术中复合材料结构的加工示意图；
图2是现有技术中复合材料结构的结构示意图；
图3是根据本申请实施例示出的智能复合材料结构的截面结构示意图；
图4是根据本申请实施例示出的智能复合材料结构的应用示意图；
图5是根据本申请实施例示出的编织结构的结构示意图；
图6是根据本申请实施例示出的智能复合材料的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点及功效。
在下述描述中，参考附图，附图描述了本申请的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本申请的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本申请。
虽然在一些实例中术语第一、第二等在本文中用来描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。
再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
第一实施例
图3是根据本申请实施例示出的智能复合材料结构的截面结构示意图。如图3所示，本申请实施例提供一种智能复合材料结构，包括纤维束31、光纤传感器30和高分子基体32，光纤传感器30呈长条状，纤维束31和至少一光纤传感器30混合编织形成编织结构，高分子基体32包裹编织结构。
本实施例中，对纤维束31进行三维正交编织形成初始编织结构。由于纤维束31与光纤传感器30的形状近似，均为长条状，可用至少一根光纤传感器30替代初始编织结构中的纤维束31，形成编织结构。如此，光纤传感器30与纤维束31互相交织，可测量多个方向的力或形变。对编织结构浸渍高分子材料后固化塑形，得到包裹编织结构的高分子基体32，以固定该编织结构。如此，光纤传感器30内嵌入复合材料后，光纤传感器30仅取代部分纤维束31，不易造成局部应力集中，提高了智能复合材料结构的力学性能。同时，将光纤传感器30与纤维束31编织成型，减弱了光纤传感器30和纤维束31这两种异质材料间的刚度差异影响，可避免在形成高分子基体32的过程对光纤传感器30造成损伤。本申请实施例的智能复合材料结构可贴附于被测物(如飞行器)表面，实现对被测物的温度、压力、应变等参数的实时监测。
在一实施方式中，纤维束31的端部不露出高分子基体表面，光纤传感器30的端部露出至高分子基体32表面，保证高分子基体32能充分包裹纤维束31和光纤传感器30形成的编织结构。高分子基体32的材质可为树脂，优选环氧树脂。具体地，在编织结构编织完成后，对编织结构进行环氧树脂预浸渍，经过热压固化工艺在编织结构表面形成环氧树脂基体，实现智能复合材料结构的一体化成型。
如图4所示，为本申请实施例的智能复合材料结构的应用示意图。智能复合材料结构贴附于螺旋桨桨叶表面，纤维束31不露出高分子基体表面，仅光纤传感器30的端部露出用于进行数据传感，使得该螺旋桨桨叶具有智能感应功能，实现对其表面的温度、压力、应变等参数的监测。
在一实施方式中，纤维束31包括多根碳纤维组成的碳纤维束，纤维束31的直径与光纤传感器30的直径相匹配。
本实施例中，单根碳纤维的直径约5μm，可将5～15根碳纤维捆绑为一束，得到纤维束31。使纤维束31和光纤传感器30的直径相近，约为25μm～75μm。这样既能减小单根碳纤维与光纤传感器30之间的尺寸差异，降低了塑形后高分子材料的占比，提高了成型后智能复合材料结构的力学性能。接着，可根据光纤传感器30嵌入复合材料后需要测量参量的特性，设计光纤传感器30的嵌入方向和数量。需要说明的是，编织时需保持光纤传感器30的弯折曲率变化较小，以便保证智能复合材料结构的传感精度。
在一实施方式中，光纤传感器30位于编织结构的非边缘位置，光纤传感器30与纤维束31之间的间距小于或等于两两相邻的纤维束31之间的间距。
本实施例中，光纤传感器30替换的纤维束31不在编织结构的边界处，且光纤传感器30与纤维束31之间的距离不能远大于周围两两相邻的纤维束30的距离，避免注入高分子材料后，在光纤传感器30周围形成较大的树脂袋，保证智能复合材料结构具有良好的力学性能和传感性能。示例性地，两两相邻的纤维束30之间的距离可为50μm～150μm。
如图5所示，编织结构包括多层编织层，纤维束31包括径向纤维束311和纬向纤维束312，光纤传感器30包括与径向纤维束311平行的径向光纤传感器301，以及，与纬向纤维束312平行的纬向光纤传感器302，径向光纤传感器301和纬向光纤传感器302位于同一编织层。
本实施例中，在形成编织结构的过程中，首先将物理性能一致的径向纤维束311和纬向纤维束312正交编织，然后用光纤传感器30分别替代编织结构中局部的径向纤维束311和纬向纤维束312，得到编织结构。其中，径向光纤传感器301和纬向光纤传感器302位于编织结构的同一层，以便对成型后的智能复合材料结构进行传感器高精度标校。
本申请实施例的智能复合材料结构，包括纤维束、光纤传感器和高分子基体，光纤传感器呈长条状，纤维束和至少一光纤传感器混合编织形成编织结构，高分子基体包裹编织结构。本申请实施例的智能复合材料结构，通过光纤传感器与纤维束编织形成被高分子基体包裹的编织结构，由于平滑了纤维和光纤传感器之间的模量差异，因此具有良好的传感精度以及稳定的力学性能。
第二实施例
图6是根据本申请实施例示出的智能复合材料结构的制备方法的流程示意图。如图6所示，本申请实施例还提供一种智能复合材料结构的制备方法，包括以下步骤：
S201.提供纤维束和光纤传感器，光纤传感器呈长条状。
在一实施方式中，S201步骤，包括：
将多根碳纤维组成纤维束，使得纤维束的直径与光纤传感器的直径相匹配。
本实施例中，单根碳纤维的直径约5μm，可将5～15根碳纤维捆绑为一束，得到纤维束。使纤维束和光纤传感器的直径相近，约为25μm～75μm。这样既能减小单根碳纤维与光纤传感器之间的尺寸差异，降低了塑形后高分子材料的占比，提高了成型后智能复合材料结构的力学性能。
在一实施方式中，S201步骤，包括：
提供纤维束，纤维束包括径向纤维束和纬向纤维束；以及，提供光纤传感器，光纤传感器包括用于与径向纤维束平行编织的径向光纤传感器，以及用于与纬向纤维束平行编织的纬向光纤传感器。
S202.互相编织纤维束和至少一光纤传感器，形成编织结构；
在一实施方式中，光纤传感器位于编织结构的非边缘位置，光纤传感器与纤维束之间的间距小于或等于两两相邻的纤维束之间的间距。
本实施例中，光纤传感器替换的纤维束不在编织结构的边界处，避免光纤传感器损坏，保证智能复合材料结构的传感功能，且光纤传感器与纤维束之间的距离不能远大于周围两两相邻的纤维束的距离，避免注入高分子材料后，在光纤传感器周围形成较大的树脂袋，保证智能复合材料结构具有良好的力学性能和传感性能。示例性地，两两相邻的纤维束30之间的距离可为50μm～150μm。
在一实施方式中，S202步骤，包括：
将纤维束和光纤传感器混合编织成多层编织层；
将径向光纤传感器和纬向光纤传感器设于同一编织层。
本实施例中，在形成编织结构的过程中，首先将物理性能一致的径向纤维束和纬向纤维束正交编织，然后用光纤传感器分别替代编织结构中局部的径向纤维束和纬向纤维束，得到编织结构。其中，径向光纤传感器和纬向光纤传感器位于编织结构的同一层，以便对成型后的智能复合材料结构进行传感器高精度标校。
S203.形成包裹编织结构的高分子基体，得到智能复合材料结构。
在一实施方式中，S203步骤，包括：
对编织结构进行高分子基体预浸渍；
热压固化后形成包裹编织结构的高分子基体，其中，光纤传感器的端部露出高分子基体表面，便于光纤传感器连接后端采集模块。
本实施例中，高分子基体的材质可为树脂，优选环氧树脂。具体地，在编织结构编织完成后，对编织结构进行环氧树脂预浸渍，经过热压固化工艺在编织结构表面形成环氧树脂基体，保证高分子基体能充分包裹纤维束和光纤传感器形成的编织结构，实现智能复合材料结构的一体化成型。
本申请实施例的智能复合材料结构的制备方法，包括：提供纤维束和光纤传感器；互相编织纤维束和至少一光纤传感器，形成编织结构；形成包裹编织结构的高分子基体，得到智能复合材料结构。本申请的智能复合材料结构的制备方法，通过光纤传感器与纤维束编织形成被高分子基体包裹的编织结构，具有良好的传感精度以及稳定的力学性能。
上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种智能复合材料结构，其特征在于，包括纤维束、光纤传感器和高分子基体，所述光纤传感器呈长条状，所述纤维束和至少一所述光纤传感器混合编织形成编织结构，所述高分子基体包裹所述编织结构。
2.根据权利要求1所述的智能复合材料结构，其特征在于，所述纤维束包括多根碳纤维组成的碳纤维束，所述纤维束的直径与所述光纤传感器的直径相匹配。
3.根据权利要求1所述的智能复合材料结构，其特征在于，所述光纤传感器位于所述编织结构的非边缘位置，所述光纤传感器与所述纤维束之间的间距小于或等于两两相邻的所述纤维束之间的间距。
4.根据权利要求1所述的智能复合材料结构，其特征在于，所述编织结构包括多层编织层，所述纤维束包括径向纤维束和纬向纤维束，所述光纤传感器包括与所述径向纤维束平行的径向光纤传感器，以及，与所述纬向纤维束平行的纬向光纤传感器，所述径向光纤传感器和所述纬向光纤传感器位于同一所述编织层。
5.根据权利要求1所述的智能复合材料结构，其特征在于，所述纤维束的端部不露出所述高分子基体表面，所述光纤传感器的端部露出至所述高分子基体表面。
6.一种智能复合材料结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S201.提供纤维束和光纤传感器，所述光纤传感器呈长条状；
S202.互相编织所述纤维束和至少一所述光纤传感器，形成编织结构；
S203.形成包裹所述编织结构的高分子基体，得到智能复合材料结构。
7.根据权利要求6所述的智能复合材料结构的制备方法，其特征在于，所述S201步骤，包括：
将多根碳纤维组成所述纤维束，使得所述纤维束的直径与所述光纤传感器的直径相匹配。
8.根据权利要求6所述的智能复合材料结构的制备方法，其特征在于，所述S201步骤，包括：
提供纤维束，所述纤维束包括径向纤维束和纬向纤维束；以及，提供光纤传感器，所述光纤传感器包括用于与径向纤维束平行编织的径向光纤传感器，以及用于与纬向纤维束平行编织的纬向光纤传感器。
9.根据权利要求8所述的智能复合材料结构的制备方法，其特征在于，所述S202步骤，包括：
将所述纤维束和所述光纤传感器混合编织成多层编织层；
将所述径向光纤传感器和所述纬向光纤传感器设于同一所述编织层。
10.根据权利要求6所述的智能复合材料结构的制备方法，其特征在于，所述S203步骤，包括：
对所述编织结构进行高分子基体预浸渍；
热压固化后形成包裹所述编织结构的高分子基体，其中，所述光纤传感器的端部露出至所述高分子基体表面。
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