專利名稱：一種基于碳納米管三維編織復(fù)合材料的健康監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于復(fù)合材料健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種基于碳納米管三維編織復(fù)合材料的健康監(jiān)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
三維編織復(fù)合材料是由三維編織預(yù)制件增強(qiáng)的一種新型的復(fù)合材料。復(fù)合材料三維整體編織技術(shù)是八十年代發(fā)展起來(lái)的高新紡織技術(shù)，它具有異型件一次編織成型、結(jié)構(gòu)不分層、強(qiáng)度高、耐燒蝕、整體性能好和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)，因而這種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形式倍受關(guān)注。在國(guó)外，三維整體編織技術(shù)已經(jīng)在航天、航空、交通、化工、體育、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)三維編織復(fù)合材料的力學(xué)性能分析對(duì)于他的應(yīng)用具有重要價(jià)值(請(qǐng)參考 Li W Hammad，EI-Shiekh A. Structural analysis of 3-D braided preforms for composites，part I :The four-step,preform[J]. J. Text Inst，1990，81 (40) :515-537.)。由于三維編織復(fù)合材料主要是承載材料，在承載過(guò)程中則會(huì)由于高溫、高壓、腐蝕、材料老化以及高空中的環(huán)境等不利因素的影響以及各種復(fù)雜載荷的聯(lián)合作用產(chǎn)生疲勞和損傷。因此作為航天主要承載材料，在工作狀態(tài)下必須建立完整的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)局部損傷的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，并進(jìn)行定量評(píng)估，從而為材料結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)提供準(zhǔn)確信息， 避免因復(fù)合材料結(jié)構(gòu)破壞帶來(lái)的巨大損失(請(qǐng)參考萬(wàn)振凱.三維編織復(fù)合材料拉伸與彎曲聲發(fā)射特征分析[J].紡織學(xué)報(bào)，2007, ) :53-55.)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(Structural Health Monitoring, SHM)依靠微觀傳感器對(duì)壓阻效應(yīng)(請(qǐng)參考 Zhu Y, Chao C, Cheng C-H. W. A novel ionic-liquid strain sensor for large-strain applications[J]. IEEE Electron Device Lett. ,2009,30(4) :337-339.)、 諧振步頁(yè)移(請(qǐng)參考 Chun Yu Li, Tsu Wei Chou. Strain and pressure sensing using single-walled carbon nanotubes[J]. Nanotechnology,2004,15(11) :1493-1496)、 壓電效應(yīng)(請(qǐng)參考 Kon S. , Horowitz, R. . A high-resolution MEMS piezoelectric strain sensor for structural vibration[J]. Sensors Journal,2008,8 (12) 2027-2035)> % W ^ ^ (Chu, L. L. ， Long Que, Gianchandani Y. B. . Measurements of material properties using differential capacitive strain sensors[J]. Journal of Microelectromechanical Systems, 2002,11(5) :489-498)、光學(xué)性質(zhì)變化(請(qǐng)參考 Hotate, K. , Tanaka Μ. . Distributed fiber Brillouin strain sensing with l_cm spatial resolution by correlation-based continuous-wave technique[J]. Photonics Technology Letters, 2002,14 (2) :179-181.)或其它方法的測(cè)量得到了很快的發(fā)展。其中， 壓阻式傳感器用于應(yīng)變測(cè)量，把應(yīng)變轉(zhuǎn)化成成正比的電阻變化；壓電傳感器是將被測(cè)量變化轉(zhuǎn)化成由于材料受機(jī)械力產(chǎn)生的靜電電荷或電壓變化的傳感器，是一種自發(fā)式和機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器，能夠檢測(cè)各個(gè)方向的壓力，壓電傳感器還可以作為一個(gè)傳感器及執(zhí)行器，同時(shí)發(fā)送和接收超聲波，并可以監(jiān)測(cè)大面積的均勻應(yīng)變。壓電傳感器的優(yōu)點(diǎn)是信噪比高且頻帶寬，并且在涉及低應(yīng)變檢測(cè)水平和高應(yīng)用噪音水平的振動(dòng)信號(hào)時(shí)比壓阻式傳感器更適合，但其信號(hào)調(diào)理十分困難。電容式壓力傳感器是一種利用電容敏感元件將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成與之成一定關(guān)系的電量輸出的壓力傳感器。它是利用導(dǎo)電傳感將電極和電介質(zhì)材料的變化轉(zhuǎn)換成一個(gè)電壓、頻率或電容的變化脈沖寬度來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。電容值與電極的受力直接相關(guān)。電容式壓力傳感器提供一個(gè)差分電容讀出，可以用來(lái)監(jiān)測(cè)應(yīng)變、彈性模量以及材料的熱膨脹系數(shù)。光纖傳感器是利用光導(dǎo)纖維的傳光特性，把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成為光特性(強(qiáng)度、相位、 偏振態(tài)、頻率、波長(zhǎng))改變的傳感器。許多光纖傳感器已經(jīng)被證明能有效地工作，這些光纖傳感器包括微彎傳感器、扭曲傳感器、蝕刻傳感器等。布拉格光柵光纖傳感器可能是在結(jié)構(gòu)一體化方面最好的，因?yàn)樗峁┝搜刂粭l光纖測(cè)量的大量低帶寬應(yīng)變。它可以用來(lái)測(cè)量縱向應(yīng)變與表面態(tài)狀態(tài)。光纖應(yīng)變傳感器已被證實(shí)有許多優(yōu)點(diǎn)，但光纖傳感器存在以下缺點(diǎn)光纖脆性大，在處理時(shí)連接困難，而且由于有大量的纖維，在同樣的位置測(cè)量不同方向的壓力是很困難的，且光信號(hào)解調(diào)器成本高。1991年日本NEC公司的飯島純雄(Sumio Iijima)首次利用電子顯微鏡觀察到中空的碳纖維，其直徑一般在幾納米到幾十個(gè)納米之間，長(zhǎng)度為數(shù)微米，甚至毫米，稱為“碳納米管”。理論分析和實(shí)驗(yàn)觀察認(rèn)為它是一種由六角網(wǎng)狀的石墨烯片卷成的具有螺旋周期管狀結(jié)構(gòu)(請(qǐng)參考 Hanson G W, Current on an infinitly-Long Carbon Nanotube Antenna Excited by a Gap Generator[J]. IEEE Transactions on antennas and propagation, 2006,54(1) :76-81)。按照石墨烯片的層數(shù)，可分為單壁碳納米管和多壁碳納米管，單壁管典型的直徑和長(zhǎng)度分別為0. 75 3nm和1 50 μ m。又稱富勒管(Fullerenes tubes)。多壁管的典型直徑和長(zhǎng)度分別為2 30nm和0. 1 50 μ m。碳納米管的抗拉強(qiáng)度達(dá)到50 200GPa，是鋼的100倍，密度卻只有鋼的1/6，至少
比常規(guī)石墨纖維高一個(gè)數(shù)量級(jí)。與傳統(tǒng)的光纖傳感器相比，碳納米管具有耐久性好和穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)不同的復(fù)用方式，可以形成大范圍，多數(shù)據(jù)的傳感檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，特別適用在大范圍分布式傳感測(cè)量和復(fù)合材料的長(zhǎng)期健康檢測(cè)中。納米材料如納米線和納米管，由于成本低，易于集成在三維編織復(fù)合材料制件中，可定制的連續(xù)傳感器且可高度分散在大型結(jié)構(gòu)中，這提供了比較可行的三維編織復(fù)合材料SHM方法。隨著三維編織技術(shù)和碳納米管埋入方式的不斷發(fā)展，碳納米管應(yīng)用在三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)中將會(huì)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。通過(guò)對(duì)應(yīng)用在高精尖技術(shù)領(lǐng)域的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康進(jìn)行檢測(cè)，可以從源頭上杜絕材料安全隱患，大大減少突發(fā)事故對(duì)貴重設(shè)備造成損壞。但是，在測(cè)量三維編織復(fù)合材料的SHM技術(shù)時(shí)，目前的難度在于材料密度較大、結(jié)構(gòu)特征具有不同厚度或幾何圖形復(fù)雜。另外，由于三維編織復(fù)合材料由碳纖維一次成型，作為健康監(jiān)測(cè)需在編織過(guò)程中嵌入大量的應(yīng)變傳感器。壓阻式傳感器、電容式壓力傳感器主要監(jiān)測(cè)小范圍區(qū)域的應(yīng)變變化，嵌入三維編織復(fù)合編織工藝實(shí)現(xiàn)技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)。光纖傳感器特別適合于復(fù)合材料的健康監(jiān)測(cè)，由于光纖傳感器的光纖很脆，不能與三維編織復(fù)合材料共同編織，進(jìn)而不能做為三維編織復(fù)合材料健康監(jiān)測(cè)嵌入式傳感器用。它只可用于層和復(fù)合材料的健康監(jiān)測(cè)。
碳納米管的誕生，特別適合于三維編織復(fù)合材料預(yù)制件成型，碳納米管具有耐久性和柔韌性。通過(guò)不同的復(fù)用方式，可以形成大范圍，多數(shù)據(jù)的傳感檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，易于集成在三維編織復(fù)合材料制件中，可定制的連續(xù)傳感器且可高度分散在大型結(jié)構(gòu)中，特別適用在大范圍分布式傳感測(cè)量和復(fù)合材料的長(zhǎng)期健康檢測(cè)中，并且制件的力學(xué)性能不受影響。但是到目前為止還沒(méi)有合適的嵌入方式研究，也沒(méi)有對(duì)三維編織復(fù)合材料預(yù)制件中所實(shí)際使用的碳納米管長(zhǎng)度(即編織用量)的計(jì)算方法，因而監(jiān)測(cè)方法基本都是離線測(cè)試，這就直接影響了基于碳納米管三維編織復(fù)合材料在線健康監(jiān)測(cè)方法的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的難題，提供一種基于碳納米管三維編織復(fù)合材料的健康監(jiān)測(cè)方法，將碳納米管傳感器嵌入三維編織復(fù)合材料中，通過(guò)處理碳納米管傳感器的信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)三維編織復(fù)合材料的健康監(jiān)測(cè)。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種基于碳納米管三維編織復(fù)合材料的健康監(jiān)測(cè)方法，所述方法首先將碳納米管傳感器按不同間距和碳纖維一起編織形成三維編織復(fù)合材料，然后通過(guò)處理碳納米管傳感器的信號(hào)對(duì)三維編織復(fù)合材料進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)；所述不同間距是指在所有行、列上每隔5根碳纖維嵌入一個(gè)碳納米管傳感器，或者在所有行、列上每隔10根碳纖維嵌入一個(gè)碳納米管傳感器，或者在所有行、列上每隔15 根碳纖維嵌入一個(gè)碳納米管傳感器；為實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)測(cè)采用每隔5根、10根或15根碳纖維嵌入一根碳納米管傳感器，如果間距超過(guò)15則對(duì)制件不能全面監(jiān)測(cè)，如果間距小于5則對(duì)制件的纖維含量有影響。所述碳納米管傳感器包括碳納米管和兩個(gè)端線連接器，即在所述碳納米管的兩端分別連接有一個(gè)端線連接器，用于傳輸碳納米管的信號(hào)；所述方法還包括獲取實(shí)際使用的單根碳納米管的編織用量的步驟，具體如下(1)計(jì)算所述預(yù)制件中編織紗線的總根數(shù)N = mn+m+n (1)(2)計(jì)算碳納米管的數(shù)量其中，N為預(yù)制件中編織紗線的總根數(shù)，主體攜紗器排布成m行和η列；假設(shè)碳納米管的間距為K，則碳納米管的數(shù)量為C = Ν/Κ (2)(3)計(jì)算單根碳納米管的長(zhǎng)度L表面編織角α和內(nèi)部編織角γ之間的關(guān)系為γ = arctg{l42tga)(3)已知三維編織預(yù)制件的表面編織角α，預(yù)制件總長(zhǎng)度H，纖維束細(xì)度一定，則可以計(jì)算單根碳納米管的長(zhǎng)度L為
,HL =--(4)
COS/對(duì)于內(nèi)部碳納米管而言，一次編織循環(huán)用紗量為L(zhǎng)lil
權(quán)利要求
1. 一種基于碳納米管三維編織復(fù)合材料的健康監(jiān)測(cè)方法，其特征在于 所述方法首先將碳納米管傳感器按不同間距和碳纖維一起編織形成三維編織復(fù)合材料，然后通過(guò)處理碳納米管傳感器的信號(hào)對(duì)三維編織復(fù)合材料進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)；所述不同間距是指在所有行、列上每隔5根碳纖維嵌入一個(gè)碳納米管傳感器，或者在所有行、列上每隔10根碳纖維嵌入一個(gè)碳納米管傳感器，或者在所有行、列上每隔15根碳纖維嵌入一個(gè)碳納米管傳感器；所述碳納米管傳感器包括碳納米管和兩個(gè)端線連接器，即在所述碳納米管的兩端分別連接有一個(gè)端線連接器，用于傳輸碳納米管的信號(hào)；所述方法還包括用于獲取實(shí)際使用的單根碳納米管的編織用量的步驟，具體如下 (1)計(jì)算所述預(yù)制件中編織紗線的總根數(shù) N = mn+m+n (1)(1)式中，N為預(yù)制件中編織紗線的總根數(shù)，m為主體攜紗器排布的行數(shù)，η為主體攜紗器排布的列數(shù)；(2)計(jì)算碳納米管的數(shù)量假設(shè)碳納米管的間距為K，則碳納米管的數(shù)量C為 C = Ν/Κ (2)(3)計(jì)算單根碳納米管的長(zhǎng)度L表面編織角α和內(nèi)部編織角Y之間的關(guān)系為
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于碳納米管三維編織復(fù)合材料的健康監(jiān)測(cè)方法，屬于復(fù)合材料健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。本發(fā)明首先將碳納米管傳感器按不同間距和碳纖維一起編織形成三維編織復(fù)合材料，然后通過(guò)處理碳納米管傳感器的信號(hào)對(duì)三維編織復(fù)合材料進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)；本發(fā)明還包括用于獲取實(shí)際使用的單根碳納米管的編織用量的步驟。本發(fā)明為實(shí)際編織提供了用量依據(jù)，同時(shí)提供了一種新的集成和分布式傳感器方法，實(shí)現(xiàn)了全結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)；本發(fā)明對(duì)碳納米管傳感器的應(yīng)用給三維編織復(fù)合材料試件的健康監(jiān)測(cè)提供了良好的發(fā)展前景。
文檔編號(hào)G01B7/16GK102564290SQ20101060681
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月27日
發(fā)明者萬(wàn)振凱 申請(qǐng)人:天津工業(yè)大學(xué)