[发明专利]碳纤维复合材料全过程在线监测方法及监测装置

说明书

本发明属于材料科学与工程领域，公开了一种碳纤维复合材料成形‑服役全过程在线监测方法及监测装置。该监测方法利用多功能材料的热释电效应与压电效应来监测碳纤维复合材料成形过程中的温度变化与服役过程中的健康状态。该监测装置包括对温度、应变具有响应的多功能材料作为信号源发生器，与多功能材料所引出的导线负极及构件表面正极连接的外部电路和处理器。通过本发明，可实现对碳纤维复合材料成形过程与服役过程中温度、应力、应变的实时监测，从而实现成形‑服役全过程监测，减少多种传感监测系统附加对构件性能产生的影响，实现碳纤维复合材料构件监测智能化。

技术领域

本发明属于材料科学与工程领域，涉及碳纤维增强复合材料成形-服役全过程在线监测方法及监测装置，更具体地，涉及一种碳纤维增强复合材料成形与服役的全过程监测技术。

背景技术

由于碳纤维增强复合材料具有高比强度、高比模量等优点，其广泛应用于航空航天、轨道交通、土木建筑、能源等领域，如飞机机身、潜艇螺旋桨、发动机叶片、风电叶片等。但由于复合材料生产工艺复杂，容易在成形过程中由于温度波动大及不均匀产生固化不完全及热应力翘曲等缺陷，而这些缺陷使构件在复杂的服役环境中发生损伤甚至影响使用。为避免碳纤维复合材料构件成形过程中产生过多缺陷以及缺陷对构件服役过程产生的影响，对碳纤维复合材料构件成形及服役全过程的在线监测至关重要。

目前，有多种方法可以实现对碳纤维复合材料成形过程或服役过程的在线监测，包括声发射检测技术、光纤光栅传感技术等，但是上述技术存在如下问题：

1、声发射检测技术在应力、应变检测中应用广泛，主要用于对碳纤维复合材料服役过程的损伤状态进行监测，很难实现对温度的检测，并且声发射检测技术需要附加传感器进行检测，传感器在安装、服役过程中易受外界环境影响，其在线监测应用范围受限。

2、光纤光栅传感技术所使用的FBG传感器虽然可检测成形与服役过程中温度、应力、应变变化，但FBG传感器的使用需要布置引线将其预埋于构件中，复材成形脱模阶段容易破坏引线，且引线对复材构件的安装产生影响，因此一般用于成形监测的FBG传感器不具有服役监测的功能；也不仅如此，光纤的直径几倍于碳纤维，对构件的力学性能产生影响，降低构件的使用寿命，故光纤光栅传感器用于服役性能的检测多使用贴片的方式。

因此，由于传感系统的脆弱性、与树脂基体的界面结合性、对服役条件的适应性等问题尚未得到有效解决，声发射检测技术与光纤传感等技术无法实现同时对固化过程的监测和对服役过程健康状态的监测，即无法实现成形-服役全过程监测。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多功能碳纤维复合材料全过程在线监测方法及监测装置，其目的在于，通过将同时具有介电/压电及热释电性能的多功能材料用于碳纤维复合材料构件，利用双方优点与特点，改善碳纤维复合材料结构件生产的工艺过程，提高成形过程的监测能力，同时减少不同监测传感系统的附加对构件产生的影响，简化监测系统制造工艺，降低成形过程监测与构件损伤监测的成本，实现碳纤维复合材料成形过程的温度监测与服役过程的应力及损伤状态监测。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种碳纤维复合材料全过程在线监测方法，该方法利用多功能材料的热释电效应与压电效应来监测碳纤维复合材料成形过程中的温度变化与服役过程中的应力变化，具体为：

利用同时具有介电/压电效应与热释电效应的多功能材料作为碳纤维复合材料的层间相，并在该层间相的表面以及该层间相相邻的一个碳纤维复合材料层上分别设置导线，组成监测电路的核心，由于碳纤维复合材料构件成形过程中的温度监测与服役过程的应力及损伤，均会引起该层间相与该相邻碳纤维复合材料层上的电荷变化从而导致电信号变化，通过监测上述电信号变化实现碳纤维复合材料构件成形过程中的温度监测与服役过程的应力及损伤监测，即实现碳纤维复合材料构件的成形-服役全过程在线监测。

进一步地，该碳纤维复合材料全过程在线监测方法包括如下步骤：