嵌入碳納米線的三維編織復(fù)合材料損傷監(jiān)測(cè)

郭建民， 萬(wàn)振凱

(天津工業(yè)大學(xué)， 天津 300387)

嵌入碳納米線的三維編織復(fù)合材料損傷監(jiān)測(cè)

郭建民， 萬(wàn)振凱

(天津工業(yè)大學(xué)， 天津 300387)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)三維編織復(fù)合材料制件損傷情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提出了通過(guò)三維五向四步法在三維編織復(fù)合材料中嵌入碳納米線傳感器的方法，由于碳納米線傳感器與碳纖維具有相似性，因此碳納米線嵌入三維編織復(fù)合材料制件后對(duì)其承載性能幾乎沒(méi)有影響。通過(guò)三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)分析了碳納米線在三維編織復(fù)合材料制件遭受外界應(yīng)力時(shí)其電阻變化率與應(yīng)力應(yīng)變的相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示其相關(guān)性為指數(shù)擬合關(guān)系，因此，三維編織復(fù)合材料的損傷狀況可通過(guò)嵌入其中的碳納米線傳感器的電阻變化率與制件所承載的應(yīng)力應(yīng)變函數(shù)映射關(guān)系來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

碳納米線； 復(fù)合材料； 三維五向四步法； 三點(diǎn)彎曲； 應(yīng)變傳感

三維編織復(fù)合材料是新型高性能復(fù)合材料，與其他材料相比優(yōu)勢(shì)明顯，具有高比強(qiáng)度、高比模量、高損傷容限和斷裂韌性、耐沖擊、抗開(kāi)裂和抗疲勞等優(yōu)異特點(diǎn)，并且在可設(shè)計(jì)性、整體成型性及凈截面制造等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[1-2]。三維編織復(fù)合材料已成為航空、航天領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料，并已在汽車(chē)、醫(yī)療、體育等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[3-4]。

在傳感器應(yīng)用中，各種基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)逐漸成為研究熱點(diǎn)，隨著復(fù)合材料新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)變得越來(lái)越重要[5-7]。目前，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)一般通過(guò)超聲波和其他物理檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，這些技術(shù)既耗費(fèi)時(shí)間，又耗費(fèi)資金，目前最熱門(mén)的實(shí)現(xiàn)有效結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的方式是部署大面積的應(yīng)變傳感層，這種應(yīng)變傳感層可被整合在材料的表面或內(nèi)部，并充當(dāng)復(fù)雜且快速響應(yīng)材料的神經(jīng)系統(tǒng)。

三維編織復(fù)合材料在制造、使用和維護(hù)過(guò)程中，當(dāng)受到外來(lái)沖擊和碰撞時(shí)，易形成外部不可見(jiàn)的氣泡、脫膠以及纖維斷裂等內(nèi)部損傷，導(dǎo)致其強(qiáng)度下降，承載力降低，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體破壞和失效形成潛在威脅，給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)安全隱患[8-10]，因此，研究適合三維編織復(fù)合材料的檢測(cè)技術(shù)，特別是無(wú)損檢測(cè)(non-destructive evaluation，NDE)技術(shù)，具有重要的實(shí)際意義。

目前，對(duì)三維編織復(fù)合材料的檢測(cè)還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，一般均采用針對(duì)二維復(fù)合材料的通用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，如超聲波、聲發(fā)射、渦流、X射線以及微波檢測(cè)技術(shù)等。由于三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的特殊性，這些方法往往存在檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、精度低、檢測(cè)過(guò)程復(fù)雜等缺點(diǎn)，這些測(cè)試手段一般還需經(jīng)過(guò)二次開(kāi)發(fā)，才能準(zhǔn)確識(shí)別三維編織復(fù)合材料制件的內(nèi)部特征，檢測(cè)的代價(jià)較大，操作較為復(fù)雜。特別是由于受到技術(shù)本身的限制，檢測(cè)的精度往往不盡如人意[11-13]。

本文基于目前碳納米線傳感器技術(shù)的發(fā)展，將碳納米線傳感器嵌入三維編織復(fù)合材料預(yù)制件中，通過(guò)碳納米線的應(yīng)變傳感特性對(duì)三維編織復(fù)合材料制件在應(yīng)用中遭受的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該研究對(duì)于我國(guó)航空航天用復(fù)合材料應(yīng)用水平的提高具有重要意義，同時(shí)對(duì)智能三維編織復(fù)合材料在線監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域也具有創(chuàng)新性。

1 碳納米線的嵌入方法

為實(shí)現(xiàn)三維編織復(fù)合材料制件的在線損傷狀況監(jiān)測(cè)，將碳納米線傳感器與碳纖維共同編織，碳納米線傳感器是由碳納米管陣列紡紗加捻而成。而碳納米管是由石墨演化而來(lái)，碳納米管中的碳原子以sp2 雜化形成六角型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。由碳納米管陣列紡紗形成的碳納米線傳感器具有較高的拉伸強(qiáng)度和剛度。本文選擇的碳納米線直徑約為21 μm，其拉伸強(qiáng)度約為650 MPa，碳納米線與碳纖維具有一定的屬性相似性，因此碳納米線和碳纖維共同編織時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損傷。嵌入碳納米線的三維編織復(fù)合材料預(yù)制件需要采用三維五向編織法進(jìn)行制備，本文所涉及的制件樣本均采用三維五向編織法進(jìn)行制備。

在本文的三維五向編織工藝中，三維編織復(fù)合材料預(yù)制件由碳纖維和碳納米線共同編織構(gòu)成，其中碳纖維作為編織紗，碳納米線作為軸向紗，碳納米線實(shí)際上是作為不參與編織的第五向紗。圖1示出碳纖維和碳納米線攜紗器的運(yùn)動(dòng)和排列規(guī)律。作為編織紗碳纖維攜紗器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與其在三維四向編織結(jié)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律類(lèi)似，也是由行、列交替運(yùn)動(dòng)四步構(gòu)成一循環(huán)。為實(shí)現(xiàn)制件實(shí)時(shí)進(jìn)行損傷檢測(cè)，在以碳纖維為編織紗相隔一定間距嵌入1個(gè)碳納米線傳感器作為軸向紗。間距的設(shè)置可通過(guò)粒子群優(yōu)化算法及混沌搜索算法進(jìn)行優(yōu)化配置。實(shí)際上，在不考慮成本的情況下，碳納米線的間距越小，探測(cè)損傷的精度越高。基于先前的碳納米線傳感器的優(yōu)化配置算法研究(限于篇幅，本文不做深入描述)，設(shè)置每隔4個(gè)碳纖維紗放置1個(gè)碳納米線傳感器，由于碳納米線與碳纖維在編織過(guò)程中都是連續(xù)編織的，因此，可實(shí)現(xiàn)對(duì)三維編織復(fù)合材料制件整體進(jìn)行實(shí)時(shí)損傷監(jiān)測(cè)。

圖1 三維五向四步法攜紗器排列和運(yùn)動(dòng)規(guī)律Fig.1 3-D four step yarn arrangement and movement rules

在本文的三維五向編織工藝中，由m行和n列的主體碳纖維攜紗器排成主體陣列，碳納米線攜紗器間隔排列在主體編織紗陣列周?chē)Ｃ總€(gè)編織紗攜紗器上攜帶1根碳纖維。行和列按4步以間歇運(yùn)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)編織。第1步，相鄰行相互錯(cuò)動(dòng)；第2步，相鄰列相互錯(cuò)動(dòng)；第3步和第4步分別與第1步和第2步的錯(cuò)動(dòng)方向相反。經(jīng)過(guò)上述四步運(yùn)動(dòng)編織，攜紗器陣列重新回到編織循環(huán)起始位置。通過(guò)連續(xù)進(jìn)行上述四步法三維編織循環(huán)，完成三維五向四步法的整體編織。三維五向編織機(jī)床上的編織紗攜紗器的四步法運(yùn)動(dòng)軌跡的垂直映射如圖2所示。

圖2 編織紗運(yùn)動(dòng)路徑的垂直映射圖Fig.2 Vertical map of motion path of knitting yarn

圖中，φ為編織紗的垂直映射方向與預(yù)制件厚度方向的夾角，對(duì)于本文要求制備的矩形三維五向四步法預(yù)制件，φ約為45°。本文編織形成的嵌入碳納米線的三維編織復(fù)合材料預(yù)制件如圖3所示。

圖3 嵌入碳納米線的三維編織復(fù)合材料預(yù)制件示意圖Fig.3 Embedded carbon nanowire of 3-D braided composite material preform schematic diagram

本文實(shí)驗(yàn)的基于碳納米線的三維五向編織復(fù)合材料預(yù)制件是由真空模塑成型設(shè)備vartm及l(fā)iquid control rtm注入系統(tǒng)復(fù)合制備而成。

2 碳納米線的應(yīng)變傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

通過(guò)歐姆定律，碳納米線的應(yīng)變傳感特性為

式中：R0為碳納米線初始阻抗;ρ為電阻率；L為碳納米線長(zhǎng)度；A為碳納米線截面積。電阻的變化可描述為

式中：△R為電阻變化值；△ρ為電阻率變化值；△L為碳納米線長(zhǎng)度變化值；△A為碳納米線截面積變化值。而碳納米線的長(zhǎng)度變化可描述為

式中：ε11為應(yīng)變系數(shù)，若應(yīng)變較小，則公式中第2部分可忽略不計(jì)。碳納米線傳感器截面變化是橫向各向同性的，同時(shí)根據(jù)泊松效應(yīng)，則碳納米線傳感器截面積A′可表示為

A′=A(1-2ν12ε11)

式中ν12為碳納米線泊松比，因此有

則：

電阻的變化有2個(gè)原因：一是應(yīng)變的產(chǎn)生；二是電阻率的變化。

嵌入碳納米線傳感器的三維編織復(fù)合材料制件在制成后，將銀膠涂抹在碳納米線傳感器兩端，同時(shí)在兩端連接導(dǎo)線進(jìn)行電阻值的測(cè)量，如圖4所示。

圖4 嵌入碳納米線的三維編織復(fù)合材料樣本Fig.4 Product sample of 3-D braided composites embedded carbon nanowire

測(cè)量每個(gè)碳納米線傳感器兩端之間的電阻，試樣維度寬×長(zhǎng)為25 mm×250 mm，每個(gè)樣本的2個(gè)碳納米線端點(diǎn)標(biāo)記用銀膠覆蓋并連接2個(gè)導(dǎo)線連接器。

采用日本島津伺服液壓電子拉力機(jī)AG-250KNE型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行應(yīng)變傳感特性實(shí)驗(yàn)，由拉力試驗(yàn)機(jī)記錄復(fù)合材料制件的拉力和位移數(shù)據(jù)，附上1個(gè)50 mm伸縮儀記錄取樣片的軸向應(yīng)變數(shù)據(jù)，壓縮或拉伸速度為0.5 mm/min。用電阻應(yīng)變儀記錄嵌入碳納米線的三維編織復(fù)合材料制件樣本承受機(jī)械負(fù)載期間的電阻數(shù)據(jù)。電纜外加10 V直流電壓與樣本的碳納米線相連。在縱向應(yīng)變方向上，在兩點(diǎn)測(cè)量裝置上執(zhí)行電阻測(cè)量。其他附帶數(shù)據(jù)獲取及分析設(shè)備，如圖5所示。

圖5 三維編織制件嵌入碳納米線的應(yīng)變傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.5 Experimental system of strain sensing properties of 3-D braided composite based on carbon nanowire

通過(guò)縱向三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)應(yīng)變監(jiān)測(cè)的電導(dǎo)率測(cè)量可能性評(píng)估，實(shí)驗(yàn)溫度為常溫。使用碳納米線傳感器的電阻變化差值△R，當(dāng)進(jìn)行機(jī)械負(fù)載時(shí)，電阻差異已經(jīng)分給碳納米線的初始電阻R0，因此，標(biāo)準(zhǔn)化的電阻變化值△R/R0則可用來(lái)描述其變化幅度，忽略不同初始R0值。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可通過(guò)三維編織復(fù)合材料制件中所嵌入的碳納米線傳感器的電阻率來(lái)判斷并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)制件內(nèi)部的損傷狀態(tài)。

3 實(shí)驗(yàn)分析

在三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)中，三點(diǎn)彎曲時(shí)碳納米線傳感器受到應(yīng)力，如圖6所示。

圖6 三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.6 Schematic diagram of three point bending test

機(jī)械載荷通過(guò)計(jì)算材料的幾何尺寸作為力矩慣性轉(zhuǎn)換至機(jī)械應(yīng)力，因此，碳納米線的標(biāo)稱(chēng)應(yīng)力σfib可用下式計(jì)算：

式中：MB為樣本中最大彎曲力矩；IZ為力矩慣性;yfib為碳納米線傳感器從樣本中間到邊緣的距離。

圖7示出樣本應(yīng)力應(yīng)變的相關(guān)性。由圖可看出，在制件樣本負(fù)載直至斷裂時(shí)其機(jī)械應(yīng)力-張力和△R/R0變化率具有單調(diào)一致性。

圖7 樣本應(yīng)力應(yīng)變和電阻變化率的相關(guān)性Fig.7 Correlation between stress strain and resistance change rate of sample

圖8示出樣本的機(jī)械應(yīng)力和△R/R0比例之間的直接相關(guān)。由圖可看出，機(jī)械應(yīng)力和△R/R0之間直接相關(guān)。線性曲線擬合結(jié)果為負(fù)相關(guān)(R2=0.94)，而指數(shù)增長(zhǎng)擬合曲線(R2=0.98)更為適合。

圖8 樣本的機(jī)械應(yīng)力和△R/R0比例之間直接相關(guān)Fig.8 Mechanical force and △R/R0 ratio relation

4 結(jié) 論

1)通過(guò)三維五向四步法編織方式將碳納米線嵌入在三維編織復(fù)合材料中。嵌入的碳納米線傳感器與碳纖維的相容性更高，對(duì)制件的承載性能幾乎沒(méi)有影響。

2)通過(guò)三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)對(duì)三維編織復(fù)合材料制件的應(yīng)力、應(yīng)變傳感特性進(jìn)行分析，得出通過(guò)碳納米線傳感器電阻率的變化感知制件遭受的應(yīng)力、應(yīng)變情況。

3)嵌入碳納米線傳感器的三維編織復(fù)合材料制件受到應(yīng)力后，其電阻率與應(yīng)變呈現(xiàn)指數(shù)擬合關(guān)系，可為復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提供參考。

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Damage monitoring of 3-D braided composites embedded carbon nanowires

GUO Jianmin, WAN Zhenkai

(TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387，China)

For the purpose of real-time detection on the damage of 3-D braided composite materials, this paper proposes the new way of the carbon nanowires sensor embedded into 3-D braided composite material by three-dimensional five-direction four-step method. Carbon nanowire sensor has similar property with carbon fibers, thus, it has little impact on the carrying performance after carbon nanowires are embedded into the 3-D braided composite material part. The paper analyzes the correlation of the rate of change of its resistance and strain on parts of 3-D braided composite materials by three point bending experiment. The experiment result shows that the resistivity of embedded carbon nanowires has exponential fitting relationship with the strain of 3-D braided composite material parts under stress. Hence, the damage of 3-D braided composites can be monitored by the correlation function of the resistance change rate and the stress or strain.

carbon nanowire; composite; three-dimensional five-direction four-step method; three point bending; strain sensing

10.13475/j.fzxb.20150301605

2015-03-12

2015-12-11

教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20080058004)

郭建民(1978—)，男，博士。主要研究領(lǐng)域?yàn)閺?fù)合材料計(jì)算機(jī)的檢測(cè)技術(shù)。E-mail:guojianmin@tjpu.edu.cn。

TS 101.2

A