[发明专利]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

说明书

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。

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：

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。