郭建民， 萬振凱

(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

郭建民， 萬振凱

(天津工業(yè)大學(xué)， 天津 300387)

為實現(xiàn)對三維編織復(fù)合材料制件損傷情況進行實時監(jiān)測，提出了通過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)合材料制件后對其承載性能幾乎沒有影響。通過三點彎曲實驗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)力時其電阻變化率與應(yīng)力應(yīng)變的相關(guān)性。實驗結(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)系來進行實時監(jiān)測。

碳納米線； 復(fù)合材料； 三維五向四步法； 三點彎曲； 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)勢明顯，具有高比強度、高比模量、高損傷容限和斷裂韌性、耐沖擊、抗開裂和抗疲勞等優(yōu)異特點，并且在可設(shè)計性、整體成型性及凈截面制造等方面具有明顯優(yōu)勢[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、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)測逐漸成為研究熱點，隨著復(fù)合材料新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測變得越來越重要[5-7]。目前，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測一般通過超聲波和其他物理檢測技術(shù)實現(xiàn)，這些技術(shù)既耗費時間，又耗費資金，目前最熱門的實現(xiàn)有效結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測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、使用和維護過程中，當(dāng)受到外來沖擊和碰撞時，易形成外部不可見的氣泡、脫膠以及纖維斷裂等內(nèi)部損傷，導(dǎo)致其強度下降，承載力降低，對結(jié)構(gòu)的整體破壞和失效形成潛在威脅，給實際應(yīng)用帶來安全隱患[8-10]，因此，研究適合三維編織復(fù)合材料的檢測技術(shù)，特別是無損檢測(non-destructive evaluation，NDE)技術(shù)，具有重要的實際意義。

目前，對三維編織復(fù)合材料的檢測還沒有專門的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，一般均采用針對二維復(fù)合材料的通用無損檢測技術(shù)，如超聲波、聲發(fā)射、渦流、X射線以及微波檢測技術(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時間長、精度低、檢測過程復(fù)雜等缺點，這些測試手段一般還需經(jīng)過二次開發(fā)，才能準(zhǔn)確識別三維編織復(fù)合材料制件的內(nèi)部特征，檢測的代價較大，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，通過碳納米線的應(yīng)變傳感特性對三維編織復(fù)合材料制件在應(yīng)用中遭受的應(yīng)力應(yīng)變進行實時監(jiān)測。該研究對于我國航空航天用復(fù)合材料應(yīng)用水平的提高具有重要意義，同時對智能三維編織復(fù)合材料在線監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域也具有創(chuàng)新性。

1 碳納米線的嵌入方法

為實現(xiàn)三維編織復(fù)合材料制件的在線損傷狀況監(jiān)測，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，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度和剛度。本文選擇的碳納米線直徑約為21 μm，其拉伸強度約為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不會產(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行制備，本文所涉及的制件樣本均采用三維五向編織法進行制備。

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動和排列規(guī)律。作為編織紗碳纖維攜紗器的運動規(guī)律與其在三維四向編織結(jié)構(gòu)中的運動規(guī)律類似，也是由行、列交替運動四步構(gòu)成一循環(huán)。為實現(xiàn)制件實時進行損傷檢測，在以碳纖維為編織紗相隔一定間距嵌入1個碳納米線傳感器作為軸向紗。間距的設(shè)置可通過粒子群優(yōu)化算法及混沌搜索算法進行優(yōu)化配置。實際上，在不考慮成本的情況下，碳納米線的間距越小，探測損傷的精度越高。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個碳纖維紗放置1個碳納米線傳感器，由于碳納米線與碳纖維在編織過程中都是連續(xù)編織的，因此，可實現(xiàn)對三維編織復(fù)合材料制件整體進行實時損傷監(jiān)測。

圖1 三維五向四步法攜紗器排列和運動規(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圍。每個編織紗攜紗器上攜帶1根碳纖維。行和列按4步以間歇運動方式實現(xiàn)編織。第1步，相鄰行相互錯動；第2步，相鄰列相互錯動；第3步和第4步分別與第1步和第2步的錯動方向相反。經(jīng)過上述四步運動編織，攜紗器陣列重新回到編織循環(huán)起始位置。通過連續(xù)進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。三維五向編織機床上的編織紗攜紗器的四步法運動軌跡的垂直映射如圖2所示。

圖2 編織紗運動路徑的垂直映射圖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

本文實驗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)變傳感實驗系統(tǒng)

通過歐姆定律，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為碳納米線長度變化值；△A為碳納米線截面積變化值。而碳納米線的長度變化可描述為

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。碳納米線傳感器截面變化是橫向各向同性的，同時根據(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，同時在兩端連接導(dǎo)線進行電阻值的測量，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

測量每個碳納米線傳感器兩端之間的電阻，試樣維度寬×長為25 mm×250 mm，每個樣本的2個碳納米線端點標(biāo)記用銀膠覆蓋并連接2個導(dǎo)線連接器。

采用日本島津伺服液壓電子拉力機AG-250KNE型萬能材料試驗機進行應(yīng)變傳感特性實驗，由拉力試驗機記錄復(fù)合材料制件的拉力和位移數(shù)據(jù)，附上1個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械負載期間的電阻數(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，在兩點測量裝置上執(zhí)行電阻測量。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)變傳感實驗系統(tǒng)Fig.5 Experimental system of strain sensing properties of 3-D braided composite based on carbon nanowire

通過縱向三點彎曲實驗實現(xiàn)應(yīng)變監(jiān)測的電導(dǎo)率測量可能性評估，實驗溫度為常溫。使用碳納米線傳感器的電阻變化差值△R，當(dāng)進行機械負載時，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則可用來描述其變化幅度，忽略不同初始R0值。

通過上述實驗系統(tǒng)，可通過三維編織復(fù)合材料制件中所嵌入的碳納米線傳感器的電阻率來判斷并實時監(jiān)測制件內(nèi)部的損傷狀態(tài)。

3 實驗分析

在三點彎曲實驗中，三點彎曲時碳納米線傳感器受到應(yīng)力，如圖6所示。

圖6 三點彎曲實驗示意圖Fig.6 Schematic diagram of three point bending test

機械載荷通過計算材料的幾何尺寸作為力矩慣性轉(zhuǎn)換至機械應(yīng)力，因此，碳納米線的標(biāo)稱應(yīng)力σfib可用下式計算：

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，在制件樣本負載直至斷裂時其機械應(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示出樣本的機械應(yīng)力和△R/R0比例之間的直接相關(guān)。由圖可看出，機械應(yīng)力和△R/R0之間直接相關(guān)。線性曲線擬合結(jié)果為負相關(guān)(R2=0.94)，而指數(shù)增長擬合曲線(R2=0.98)更為適合。

圖8 樣本的機械應(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，對制件的承載性能幾乎沒有影響。

2)通過三點彎曲實驗對三維編織復(fù)合材料制件的應(yīng)力、應(yīng)變傳感特性進行分析，得出通過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

教育部博士點基金項目(20080058004)

郭建民(1978—)，男，博士。主要研究領(lǐng)域為復(fù)合材料計算機的檢測技術(shù)。E-mail:guojianmin@tjpu.edu.cn。

TS 101.2

A