基于碳納米管紗線扭電能的復合材料損傷監測

李 鵬， 萬振凱， 賈敏瑞

(1. 天津工業大學 紡織科學與工程學院， 天津 300387； 2. 天津工業大學 工程教學中心， 天津 300387)

三維編織復合材料主要作為航天用結構承載部件，在長期服役期間面臨著復雜載荷環境,反復作用的疲勞載荷可使其內部產生損傷。試件損傷的累積會導致材料的剛度和剩余強度發生變化,將嚴重影響構件的使用壽命和安全系數。航天材料的結構健康監測與其他領域不同，必須保證在不增加結構試件質量、不降低結構力學性能的前提下，具備系統結構簡單、可靠性高、全局損傷監測的要求[1]。

多年來，國內外研究者對復合材料的結構健康監測技術進行了深入研究：Alexopouios等[2]將碳納米管紗線嵌入玻璃纖維增強聚合物(GFRP)中，用于復合材料的結構健康監測，分析了不同拉伸載荷情況下，制件機械應力與碳納米管(CNT)紗線電阻變化的關系，研究表明試件載荷和CNT紗線電阻變化是一種指數曲線關系，CNT紗線作為應變測量傳感器具有很好的重復性，且說明了CNT紗線易于嵌入在復合材料中，而并不會降低材料的力學性能；Jandro等[3]研究了CNT紗線的壓敏電阻特性發現，CNT紗線可集成到復合材料中，而主體材料的質量和力學性能保持不變，由CNT紗線組成的應變傳感器比金屬箔應變傳感器具有更高的應變系數；Nisha等[4]研究了CNT紗線嵌入GFRP中構建智能納米材料的方法，結果表明在GFRP中嵌入CNT紗線不會降低材料的力學性能。

我國一些科技工作者圍繞CNT紗線力學特性及其應用進行了深入研究，分析了不同參數CNT紗線制備技術[5]，提出了不同參數CNT紗線的制備方法，研究了嵌入三維復合材料中CNT紗線的傳感特性[6]，證明了CNT紗線的電阻變化與試件承載載荷具有很好的重復性和線性關系。此外，利用嵌入CNT紗線分析三維編織復合材料損傷[7]，建立了基于CNT紗線的三維編織復合材料試件內部損傷監測系統[8-9]；同時，利用統計方法研究了三維編織智能復合材料結構損傷實時監測技術[10-11]。

上述研究表明，CNT紗線用于三維復合材料的結構健康監測是可行的，但所有研究均是以CNT紗線的電阻變化為基礎，監測結構復雜，電路可靠性低。Kim等[12]研究發現，CNT紗線在承載過程中會產生扭電能(twist energy)，出現這一現象是因為當CNT紗線被擰緊或拉伸時，碳納米管之間的距離變小，離子聚集到一起，碳納米管密度變大，使紗線上的電荷彼此靠近從而增加其能量。也就是說，在拉伸過程中，CNT紗線被擰緊或拉伸將機械能轉化成為了電能。其研究結果說明，CNT紗線扭電能輸出與制件的拉伸強度具有良好的線性關系和重復性。安萍等[13]研究了CNT體積分數對CNT復合薄膜電氣性能的影響，結果說明當CNT體積分數較小時, CNT復合薄膜的電導率變化比較緩慢且非常小，復合薄膜表現為絕緣特性；當CNT體積分數為1%～3%時，CNT復合薄膜的電導率迅速增大，復合薄膜表現為半導體特性；當CNT體積分數大于3%時，CNT復合薄膜的電導率變化平緩, 復合薄膜表現為導體特性。這表明CNT體積分數大于3%時，CNT紗線在拉伸時會產生扭電能。本文針對CNT紗線扭電能現象的發現，將CNT紗線通過編織工藝嵌入到三維編織復合材料制件中，構建傳感器不需外部供電的航天結構制件損傷監測系統及其損傷評估算法。

1 CNT紗線嵌入方法

為保證嵌入三維編織復合材料中的CNT紗線不彎曲，本文采用三維六向四步法編織技術將CNT紗線與碳纖維紗線共同編織，構建新型三維智能復合材料。圖1示出三維六向四步法編織工藝示意圖。

圖1 三維編織機示意圖Fig.1 Schematic diagram of three-dimensional braiding machine

三維六向四步法編織技術是由三維五向編織工藝發展出的編織技術，是在第六向編織方向上設置編織紗，并且軸紗數量和第六向紗數量按需要可以調整。圖2示出三維六向攜紗器排布規律示意圖。圖中：△表示軸紗(CNT紗線)攜紗器；○表示編織紗(碳纖維)攜紗器；—表示引入的第六向紗線(CNT 紗線)。在編織過程中，編織紗攜紗器的運動由沿行和列交替運動組成，與四步法攜紗器運動過程相同，紗線在攜紗器的引導下進行運動和空中取向，而軸紗攜紗器只在行的方向上平動，經過一個機器循環回到原始處。攜紗器每運動2步后，進行“打緊”，沿行的方向加入緯紗(CNT紗線)，包括最外層的邊紗部位，緯紗在垂直于軸向紗的方向來回穿梭。整個編織過程的軸紗和緯紗都不參加編織，分別在編織成型和寬度方向上均勻地夾在編織紗之間的空隙內，在這種編織結構的每一個機器循環中，編織紗攜紗器運動仍為4步，且每步運動距離相等，軸向紗攜紗器只沿行向運動，不沿列向運動，保持直線狀態。

圖2 三維六向攜紗器排布規律示意圖Fig.2 Schematic diagram of carriers arrangement for three-dimensional six-direction braiding

2 CNT紗線扭電能變化規律

CNT紗線通過三維六向編織工藝嵌入三維編織復合材料后，與外部采集電路采用端點鍍銀方式進行連接，以減小連接點阻抗對測試結果的影響，通過多路信號放大器對CNT紗線的電荷進行放大，然后經模數轉換器(A/D)轉換讀取，并對實時數據進行處理，獲取三維編織復合材料試件實時損傷狀態信息。利用該系統實現對三維編織復合材料制件的實時損傷監測，分析出試件不同類型損傷與扭電能的數據關系，通過主成分分析(PCA)理論分析出CNT紗線扭電能在試件承載中變化規律。

3 三維編織復合材料試件損傷算法

PCA是將一組具有相關性的變量重新組合轉換成一組新的互相無關綜合變量的算法，通過PCA可用幾個較少的綜合變量反映原來多變量的綜合信息，主要包括數據的預處理、基準模型建立、主成分計算和在線故障診斷幾部分。

3.1 測試數據的預處理

X是多個CNT紗線傳感器測量的數據矩陣，代表每個試件樣本的測量數據集合。在結構健康監測應用中，采集的CNT紗線數據在整個時間段內是動態數據。CNT紗線扭電能數據可用三維矩陣形式進行組織，其中：I為試驗次數；K為試件個數；J為傳感器個數。應用PCA數據分析時，首先對矩陣X數據進行標準化處理，對每個CNT紗線測量的數據用同一時刻所有CNT紗線測量數據的均值和標準差進行歸一化。

3.2 PCA基準模型構建

3.3 PCA復合材料結構損傷監測

對監測試件使用的CNT紗線數量必須與PCA基準數據建設階段使用的CNT紗線相同，采集數據的數量與PCA基準數據數量相同。根據投影主成分數據計算出相應的T2統計量、Q統計量損傷指數，將損傷指數與基準數據相比得出試件損傷狀態和損傷類型。

損傷指數是用于評價復合材料試件承載受力后破壞狀態的無量綱指數，分為整體損傷指數和局部損傷指數。

第i個試驗的T2損傷指數定義為

式中：xi為第i次試驗采集數據的行向量；tsi為矩陣第i行的行向量；P為矩陣X的PCA轉換矩陣；Λ=diag(λ1,λ2,…,λj,…，λi)；λj是矩陣X協方差矩陣的特征值。

第i次試驗向量xi的Q損傷指數定義為

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4 CNT紗線扭電能變化規律分析

本文研究中所制備的復合材料試件編織紗為碳纖維T300B，在三維六向復合材料試件的制備中，每間隔8個編織紗(T300B碳纖維)攜紗器，設置1根CNT紗線作為軸向紗，按三維六向四步編織生成具有智能功能的三維復合材料試件。CNT紗線采用南京先豐納米材料科技有限公司生產的碳納米管紗線，強度為800～1 000 MPa、模量為50～100 GPa。試件基體選用環氧樹脂TDE-86，復合材料預制件采用70酸酐固化。試件尺寸均為 35 mm×20 mm×10 mm。拉伸試驗利用日本島津公司SHIMADZU AG-250KNE型材料試驗機進行，試件拉伸速度為0.5 mm/min。圖3示出3個含有CNT紗線的六向編織復合材料試件。

圖3 復合材料試件Fig.3 Test specimens of composite material

試件參數如表1所示。試件1#為不存在任何缺陷的三維編織復合材料制件；2#為含有2處孔洞損傷的試件，洞損尺寸分別為0.40和0.23 mm；3#中內部設置了2處裂紋，裂紋長度約為0.93和0.61 mm。

表1 三維編織復合材料試件參數Tab.1 Parameters of specimen for three-dimensional braided composite material

試驗按ASTM D3039—1976《聚合物基復合材料拉伸性能標準試驗方法》進行，采用機械應力分段加載方式。試件1#為參考試件，參與所有加載方式。試件2#采用分段加載方式，第1段加載至斷裂應力的50%，第2段加載至斷裂應力的90%。試件3#采用直接加載至斷裂應力的90%。在上述拉伸試驗中，分析3個試件內部CNT紗線的扭電能數據變化與試件內部損傷關系。

為研究CNT紗線的扭電能特征，對試件1#進行拉伸試驗，結果如圖4所示。可以看出：在應變為1%～3%區間內，CNT紗線的扭電能具有一定的變化，特別是在拉伸0.5%之內，扭電能的數值較大，這是因為在拉伸初期，試件內部的樹脂存在微小的裂變，基體裂紋和纖維存在一定分離，使得CNT紗線扭電能出現變化；隨著拉伸的進行，試件樹脂裂變趨于穩定，而CNT的扭電能也趨于穩定，這說明基于CNT紗線的扭電能，對試件的內部損傷識別具有很高的分辨力。

圖4 應力應變和扭電能電荷變化Fig.4 Correspondence diagram of stress strain and twist energy charge change

利用PCA指數來分析試件的損傷情況，圖5示出試件1#、2#第1段拉伸加載試驗計算的T2指數曲線圖。可以看出，試件1#的T2指數值遠小于試件2#的，試件1#的T2損傷指數值在拉伸試驗中變化量不大。試件2#的T2損傷指數值可表明其在拉伸過程中，有2處T2損傷指數值大于800，1處位于應變2.3%處,1處位于應變4.1%處，可以說明在應變為2.3%和4.1%時，試件2#內部的孔洞對CNT紗線扭電能產生很大影響，同時可看出，第1處損傷T2損傷指數值較大，這說明利用該指數值可描述試件的損傷情況，也可以通過試件中CNT紗線的布線位置以及扭電能的大小，采用文獻[8]計算方法分析試件的損傷位置。

圖5 試件1#和2#第1段拉伸T2值Fig.5 T2 value of specimens 1# and 2# in first stretching

由于試件2#內部含有0.40和0.23 mm孔洞，而對應的T2損傷指數值為1 000 和900，可計算出基于CNT 扭電能T2損傷指數值的損傷分辨δ為0.002 mm。

圖6示出試件1#和2#第1段拉伸試驗的Q損傷指數曲線。可以看出，Q損傷指數曲線的變化規律與T2損傷指數基本一致，不同的是Q損傷值很小，但曲線變化較為平滑，這說明Q損傷指數曲線對損傷特征的描述更為詳細，更能準確計算出損傷的位置。

圖6 試件1#和2#第1段拉伸Q值Fig.6 Q value of specimens 1# and 2# in first stretching

圖7、8分別示出試件1#、2#第2段拉伸試驗的T2損傷指數和Q損傷指數曲線。可以看出，試件在損傷處，Q損傷指數值大于其他拉伸階段的Q值，通過Q值可準確判斷試件出現損傷的準確時刻。

圖7 試件1#和2#第2段拉伸T2值Fig.7 T2 value of specimens 1# and 2# in second stretching

圖8 1試件#和2#第2段拉伸Q值Fig.8 Q value of specimens 1# and 2# in second stretching

圖5～8表明：試件2#經過2段拉伸試驗，均能利用CNT紗線扭電能監測出試件的內部損傷，這說明基于CNT紗線的扭電能并結合損傷指數可監測試件任何內部損傷狀態。

圖9、10分別示出試件1#、3#加載試驗T2損傷指數和Q損傷指數曲線。試件3#是含有裂紋損傷的試件，圖9、10損傷指數曲線均呈現出2處低峰值，該低峰值是由于2#試件內部的2處損傷導致扭電能的變化，且損傷指數曲線波動較大，這說明裂紋損傷對CNT紗線扭電能的影響較大，且影響到多個CNT紗線的扭電能，使得損傷指數變化波動較大。

圖9 試件1#和3#拉伸T2值Fig.9 T2 value of specimens 1# and 3# in stretching

圖10 試件1#和3#拉伸Q值Fig.10 Q value of specimens 1# and 3# in stretching

5 結 論

本文基于碳納米管(CNT)紗線拉伸在試件損傷時出現扭電能的現象，采用主成分分析方法，對航天三維編織復合材料結構損傷監測進行研究，得出以下結論。

1)采用三維六向四步法編織技術將CNT紗線與碳纖維紗線共同編織，提出構建智能三維復合材料的方法，解決了編織復合材料嵌入傳感器因彎曲造成的測量誤差問題。

2)復合材料試件在拉伸過程中，試件內部的損傷會引起內部CNT紗線的扭電能變化，孔洞損傷對CNT紗線的扭電能影響比較集中；裂紋損傷對CNT紗線的扭電能影響比較分散。通過CNT紗線的扭電能數據得到的Q損傷指數能準確描述損傷特性。

3)該研究為復合材料結構健康狀態的監測提供了新的技術手段，可簡化航天試件結構健康狀態監測系統的體系設計，基于CNT紗線扭電能計算的試件內部損傷具有很高精度，可達到0.002 mm。