基于自傳感的航空復材層合板沖擊損傷監測研究

Research on impact damage monitoring of aeronautical composite laminates based on self - sensing

ZHONG Yating1，2*， LAN Wanda3（1. College of Aerospace Engineering， Shenyang Aerospace University （SAU）， Shenyang 110136;2.AVIC Chengdu Aircraft（Group）Co.，Ltd.，Chengdu 610073；3.College of MaterialScience and Engineering， Shenyang Aerospace University（SAU）， Shenyang 110136）

Abstract：Aircraft composite laminates have excellent propertiessuch as light weightand high strength，andare widely used incomposite structures suchasaircraft fuselageand wings.Composite laminatesarevery sensitive to impact damage. After impact，delamination，fracture andother damage areeasy tooccur，which maylead toserious consequences.In this study，a preparation method of composite laminates with self-sensing functionwas proposed.Thecarbon nanotube（CNT） dispersion wasuniformlydispersed intheresin to formaconductive path.Itisappliedtoimpactdamage monitoringof compositelaminates.The experimental resultsshowthattheconductiveresincan beembedded intheglassfiber prepreg to prepare the composite laminates with self-monitoring function，which can efectively monitorthe impact damageof the laminates and provide a feasible scheme for the impact damage monitoring of composite laminates.

Keywords： composite laminated plates；self-sensing； impact damage；carbon nanotubes；epoxy resin

1引言

各工程領域[1-3]。復合材料服役過程中難免受到不同能量的沖擊，沖擊造成復合材料纖維或基體產生斷裂、分層等損傷，導致復合材料結構損壞、壽命復合材料具有輕質高強等優點，已逐步應用于大幅下降等后果，對復合材料結構和使用安全造成巨大影響[4-5]。因此，復合材料沖擊損傷監測尤為重要。國內外學者對復合材料受沖擊影響進行了廣泛的研究。監測手段目前主要分為在線監測和離線監測兩種[6]。Boccardi等[7]提出了一種沖擊損傷擴展的原始監測方法，通過研究紅外成像裝置在低能量沖擊下的圖像處理算法，完成復合材料沖擊損傷擴展的監測。熊娟等8利用紅外熱成像鎖相法對碳纖層合板沖擊損傷進行監測。上述方案都是利用紅外成像法進行復合材料沖擊損傷監測，屬于典型的離線監測手段。離線監測效率低，已逐步被在線監測方法取代。Atobe[9]等使用一種基于傳遞矩陣的識別方法進行復合材料壓力容器的沖擊定位和損傷監測。Yashiro等[1o]將FBG傳感器嵌人復合材料層合板中，監測復合材料沖擊損傷。李蒙等[1]結合BP算法，應用FBG傳感器對復合材料沖擊進行定位檢測，實現復材層合板參數識別化定位。但是上述方案需要嵌人傳感器于復合材料結構內，會對結構完整性造成一定影響。盧少微等[12]提出一種碳納米紙薄膜傳感器監測技術，可有效預判低速沖擊損傷。Wang等[13-14]結合四點求和定位算法和權函數補償定位算法進行復合材料沖擊定位監測。上述方案制備的薄膜傳感器能夠完好的嵌入復合材料中，解決了復合材料結構完整性的問題。

本研究對上述文章的優勢和不足進行分析，提出了一種導電樹脂的制備方法。將碳納米管分散至樹脂中，作為復合材料層合板的基體與層合板一體固化成型，對復合材料結構無任何影響，同時賦予復合材料層合板自監測的能力。壓阻式傳感器根據沖擊前后導電樹脂部分電阻的變化，監測復合材料沖擊損傷。監測過程中，復合材料層合板對沖擊響應靈敏，對航空復合材料結構的沖擊損傷監測具有指導意義。

2 碳納米管分散樹脂制備及傳感原理

2.1碳納米管分散樹脂制備流程

碳納米管分散樹脂所需材料為單壁增強型碳納米管（SWCNTs）、丙酮和環氧樹脂，碳納米管分散樹脂制備流程如圖1所示：將 單壁增強型碳納米管研磨 ^1h ，加人至丙酮溶液中，在60W下超聲處理 30min ，然后將碳納米管分散液加入至 150g 的環氧樹脂中，在 60^°C 的條件下機械攪拌 2h ，將丙酮全部蒸發。完成后取出碳納米管分散樹脂。

2.2碳納米管分散樹脂表征

本實驗使用透射電子顯微鏡（日本－JEOL-JEM2100F）對制備的碳納米管分散樹脂漿料的微觀形貌進行觀察，判斷互相搭接的單根單壁碳納米管的制備成功與否，證明本實驗導電填料分散方法的可行性。同時，根據壓阻式應變傳感器的性能指標，需要對碳納米管分散樹脂的穩定性進行測試和計算，確保碳納米管分散樹脂的傳感穩定性。透射電鏡結果如圖2所示。

對碳納米管分散樹脂進行傳感穩定性測試。準備尺寸長為 200mm ，寬為 40mm 的矩形玻璃纖維層合板。將制備好的碳納米管分散樹脂涂覆于玻璃纖維層合板表面。在涂覆區域兩端連接導線至數據采集設備，本研究以碳納米管分散樹脂電阻變化為傳感響應，其中， ΔR/R₀ 表示電阻變化與初試電阻的比值，代表電阻變化率。測試結果如圖3所示。

根據圖3可以看出，碳納米管分散樹脂涂覆部分在4000s內電阻變化率穩定在0.0008區間內，傳感性能穩定，能夠進行復合材料沖擊損傷監測。

2.3碳納米管分散樹脂傳感機理

碳納米管均勻分散至樹脂中，足夠的碳納米管分散液濃度使得碳納米管之間相互搭接形成導電網絡。傳感器在受到拉伸、壓縮、熱脹冷縮等情況時，碳納米管會隨著樹脂基體的形變發生微小位移，傳感網絡結構隨之改變，形成隧道效應[15-16]，展現出隧道電阻。隨著損傷的產生，相鄰的碳納米管之間的距離增大，隧道效應減弱，導致隧道電阻增大。隨著損傷的增加，隧道效應被切斷，導致電阻快速上升。通過碳納米管導電網絡的電阻的計算公式進行分析，碳納米管分散樹脂的電阻可用公式（1）及公式（2）進行計算。

式中，碳納米管總電阻為 R₁ ，碳納米管的固有電阻為 R_cNT ，相鄰碳納米管之間隧道效應產生的電阻為 R_Tunnel 。低速沖擊下，復合材料層合板產生不可見損傷，裂紋會改變樹脂基體的微觀結構，導電網絡搭接面積減少且距離增大，導致電阻增大，原理如圖4所示。

3復合材料層合板制備及實驗過程

3.1復合材料層合板制備

將單向玻璃纖維預浸料（ 6501/G15000/33% ，威海光威復合材料有限公司）沿纖維方向和纖維法向分別裁剪8個 40mm×200mm 的矩形，采用手工鋪層方法，按照 鋪設16層，在第一、第二層之間涂覆3次碳納米管分散樹脂，定義涂覆區域為A、B、C，之后在 2MPa ， 140^°C 條件下一體固化成型，試件制備示意如圖5所示。

3.2實驗過程及結果分析

將制備好的復合材料試件置于沖擊實驗臺上，兩端使用螺旋夾具固定。沖頭質量為 2kg 。設計沖擊次數為3次，分別以不同高度釋放沖頭，以監測不同沖擊能量對復合材料層合板的損傷。設定高度分別為 100mm ， 200mm 和 500mm ，沖擊位置為B區域。將A、 B 、C區域分別接線測量沖擊前后碳納米管分散樹脂的電阻變化情況。實驗設備示意如圖6所示。

為更直觀的觀察碳納米管分散樹脂傳感器對于沖擊損傷的監測效果，本文對試件進行了不同能量的沖擊對比。圖7（a）至圖7（c）分別展示了以100mm 、 200mm 和 500mm 的高度釋放沖頭對復合材料層合板沖擊B區域損傷的金相觀測圖，可以看出在 100mm 高度的沖擊下，纖維和樹脂基體沒有發現明顯變化。在 200mm 高度的沖擊下，復合材料纖維和樹脂基體出現斷裂。在 500mm 高度的沖擊下，復合材料纖維和樹脂基體徹底斷裂和分層。同時，對A、B、C區域進行了實時的電阻變化測量，電阻測量結果如圖7（d）所示。

根據圖7（d）可以看出，在各能量沖擊下，A、B、C區域均受到沖擊影響發生形變，由于沖擊點在B區域，B區域電阻變化明顯大于A、C區域。各區域碳納米管分散樹脂電阻變化規律如表1所示。可以看出，沖擊能量越大，電阻變化越明顯，證明碳納米管分散樹脂與玻璃纖維預浸料一體成型能夠賦予層合板對沖擊損傷自監測的能力。

4結語

本文提出一種碳納米管分散樹脂的制備工藝，制備出了一種具有自監測功能的復合材料層合板，可對復合材料層合板沖擊過程進行監測。設計并進行沖擊實驗，得出如下結論：

（1）提出的碳納米管分散樹脂制備方案能夠制備出具有良好導電性的樹脂基體，可以與玻璃纖維預浸料一體固化成型。碳納米管分散樹脂基體在4000s內電阻變化率穩定在0.0008區間內，傳感性能穩定，能夠進行復合材料沖擊損傷監測

（2）在 100mm 、 200mm 和 500mm 的高度進行復合材料層合板沖擊實驗，在不同的能量條件下對復合材料層合板B區域進行沖擊，A、B、C三個區域碳納米管分散樹脂的電阻變化能夠隨著復合材料受沖擊能量的增大而增大，且B點響應值最大（三次沖擊下響應值分別為749.699，1104.676，2175.223），由此確定復合材料沖擊位置和損傷的嚴重程度，為復合材料沖擊監測提供參考。

參考文獻

[1]JEONGC.，LEEH.T.，NOHMS，et al.Real-time in situ mo-nitoring of manufacturingprocessand CFRP qualitybyrelative resist-ancechange measurement[J].Polymer Testing，2O20，85：106416.

[2]ONDER A，ROBINSON M.Harmonised method for impact resist-ancerequirementsofE-glass fibre/unsaturatedpolyesterresincom-posite railway carbodies[J].Thin-Walled Structures，2018，131：151-164.

[3]AHMEDE，NAVIDG，ALDOBENEDETTOZ，etal.Impact-dy-namic properties of aromatic hyperbranched polyester/RTM6 epoxynanocomposites[J].MaterialsLetters，2023，353：135285.

[4]YUXIAD，TIANTIANS，YUNTAO T，etal.Automatic air-cou-pledultrasound detection ofimpact damagesin fiber-reinforcedcompositesbased on one-dimension deep learningmodels[J].Journal of Nondestructive Evaluation，2023，42（3）：79.

[5]YAN L， FUSHENG W， CHENGUANG H， et al. Impact damage re-duction of woven composites subject to pulse current [J]. NatureCommunications，2023，14（1）：5046.

[6］謝為．碳納米管面向航空功能應用需求的研究進展［J]．航空制造技術，2023，66（9）：112-118.

[7] SIMONE B. The added value of infrared thermography to assess theimpact performance of composites [J]. Journal of Nondestructive E-valuation，DiagnosticsandPrognosticsof Engineering Systems，2018，1（2）：021003.

[8］熊娟，喻星星，王也君，等．復合材料低能量沖擊損傷紅外鎖相法檢測[J]．無損探傷，2023，47（3）：26-29.

[9] ATOBE S， SUGIMOTO S，HUN， et al. Impact damage monitoringof FRP pressure vessels based on impact force identification [J].Advanced Composite Materials，2014，23（5-6）：491-505.

[10]YASHIRO S，MURAI K，OKABE T，et al. Numerical study for i-dentifying damage in open-hole compositeswith embedded FBGsensors and itsapplication to experiment results[J].AdvancedComposite Materials，2012，16（2）：115-134.

[11]李蒙，張翠，童杏林，等．基于BP算法和FBG傳感的復合材料沖擊定位檢測技術［J]．激光技術，2022，46（3）：320-325.

［12]盧少微，杜凱，王曉強．基于碳納米紙傳感器的復合材料結構低速沖擊損傷監測［J]．載人航天，2019，25（3）：355-361.

[13]YINGW，HONGMEIL，SHAOWEIL，et al.Impactlocalizationofcomposite laminates based on weight function compensation localiza-tion algorithm of thin filmsensors[J].International Journal ofSmart and Nano Materials，2023，14（2）：139-154.

[14]YING W，MAN T， SHAOWEI L，et al. Impact localization of com-posite laminates based on four points localization algorithm of MX-ene/CNT sensors [J]. Applied Physics A，2022，128（10）：925.

[15]Y.HENG，Y.LI，Y.XUEFENG，F.DAINING.Piezoresistive re-sponse of graphene rubber composites considering the tunneling ffect[J]．Journal of the Mechanics and Physics of Solids.2O20，139：103943.

[16]HUIZHEN H，XIAOLI Z，LILI K，et al. Tunnel electroresistanceeffectin atwo-dimensional organic ferroelectric tunnel junction[J]．Physical chemistry chemical physics：PCCP.2023，25：18400 -18405.