[发明专利]陶瓷压电片传感器用于复合材料生命周期实时监测方法

说明书

陶瓷压电片传感器用于复合材料生命周期实时监测方法，涉及复合材料。采用可封装陶瓷压电片和特殊材料形成共固化传感器；所述特殊材料采用聚己内酯等中的一种；将共固化传感器预先固定于模具的型腔，共固化传感器预留型腔导线槽并密封后固化；在复合材料注入时，流动过程产生压力变化，陶瓷压电片与共固化传感器产生电信号，得到复合材料流动前沿位置；复合材料充满型腔后进行固化，根据超声检测方法，通过波速和幅值的变化实时监测固化度，而固化后共固化传感器将集成在复合材料表面，直接作为结构健康监测。

技术领域

本发明涉及复合材料，尤其是涉及陶瓷压电片传感器用于复合材料生命周期实时监测方法。

背景技术

先进复合材料具有比强度和比刚度高、性能可设计、易于整体成型等优点，是轻质高效结构设计的理想材料，广泛应用于航空航天、交通运输、海洋潜舰、石油化工及土木建筑等领域的大型工程结构。然而，由于设计、制造与检测技术的限制，复合材料在大型结构上应用的优越性能还远没有充分发挥，其中最主要的原因是缺少对成型工艺固化过程的实时监控和控制，产品质量难以保证。同时，复合材料易受冲击损伤，而且缺陷大多目不可测，需要先进健康监测技术([1]COLPO F,HUMBERT L,BOTSIS J.Characterisation ofresidual st resses in a single fibre compositewith FBG sensor[J].CompositesScience and Technology,2007,67(9):1830-1841)。因此，对复合材料固化过程、加工过程和使用过程进行实时精确监测，对提高产品质量、降低成本、保障复合材料结构安全性具有十分重要的意义。

陶瓷压电片是可以实现正负压电效应的转换装置，既可以基于正压电效应对动态压力进行监测，又可以基于负压电效应实现超声检测和超声导波监测等技术。使用陶瓷压电片为圆片形结构，半径为4mm，厚度为0.2mm。

所使用的用于初次封装陶瓷压电片的特殊材料，要求其具有熔点低、初始强度高特点，且是树脂基体固化剂之一和改性材料之一，如聚己内酯。

现阶段用于复合材料固化监测技术主要有超声法、光纤法、介电法、阻抗法和热学方法，用于复合材料结构健康监测技术主要有超声导波法、光纤法、阻抗法等。超声法相比其他监测方法，具有精度高、结构简单、成本低等优点。

结构健康监测是使用永久集成在结构表面或嵌入结构内的分布式传感器网络为基础，是确定结构完整性的革命性创新技术([2]CROWLEY D M,WARD C,POTTER K.A statusof acceptance criteria and process requirements in advanced compositesmanufacturing,and whether they are fit for purpose[R].SAE Technical Pap-er.2013)，在复合材料结构设计、制造、服役及维护的全寿命周期中都可以发挥重要的作用。

发明内容

本发明的目的是针对现有的复合材料成型和加工监测缺失，无法进行全寿命周期监测的现象，同时针对现有复合材料成型监测技术中操作复杂、精度不高、成本高等问题，提供陶瓷压电片传感器用于复合材料生命周期实时监测方法。

本发明包括以下步骤：

1)采用可封装陶瓷压电片和特殊材料形成共固化传感器；所述特殊材料采用聚己内酯等中的一种；

2)将共固化传感器预先固定于模具的型腔，共固化传感器预留型腔导线槽并密封后固化；

3)在复合材料注入时，流动过程产生压力变化，陶瓷压电片与共固化传感器产生电信号，得到复合材料流动前沿位置；

4)复合材料充满型腔后进行固化，根据超声检测方法，通过波速和幅值的变化实时监测固化度，而固化后共固化传感器将集成在复合材料表面，直接作为结构健康监测。