周冠男，盧少微，王共冬，王 帥，李勃翰

(沈陽航空航天大學(xué) a.航空宇航學(xué)院，b.材料科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽 110136)

近年來，復(fù)合材料由于自身所固有的高比強(qiáng)度、比模量以及結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于飛行器的各種重要結(jié)構(gòu)中[1-2]。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，特別是層合結(jié)構(gòu)對低速沖擊損傷比較敏感。這些損傷嚴(yán)重影響層合結(jié)構(gòu)的承載能力，并且這種損傷在表面不易被發(fā)現(xiàn)。而飛行器服役時(shí)常會受到低速沖擊，如在維修中不慎掉落的工具或者飛機(jī)在跑道上濺起的沙石等沖擊，這些事件都有可能帶來災(zāi)難性的后果。因此，有必要研發(fā)一種安全、簡單、經(jīng)濟(jì)的方法來監(jiān)測復(fù)合材料低速沖擊的損傷，提高復(fù)合材料的安全性[3]。目前常用的檢測方法有傳統(tǒng)的無損檢測和傳感器檢測。無損檢測包括X 射線、聲-超聲、微波檢測、掃描電鏡等方法，然而，大型部件的難拆卸性和對尺寸要求的嚴(yán)格性阻礙了無損檢測的大規(guī)模應(yīng)用。近年來，光纖光柵傳感器得到了廣泛的應(yīng)用[4]。谷廣偉等[5]研究了光纖光柵傳感器監(jiān)測復(fù)合材料層合板的低速沖擊損傷，然而光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)尺寸大，埋入復(fù)合材料中會引起缺陷，價(jià)格昂貴且十分脆弱，這些限制了光纖光柵的發(fā)展。因此，碳納米管由于其優(yōu)異的導(dǎo)電性和力學(xué)性能得到了人們廣泛的關(guān)注[6-9]。碳納米管分散在環(huán)氧樹脂中形成傳感網(wǎng)絡(luò)，作為傳感器實(shí)現(xiàn)對復(fù)合材料低速沖擊損傷進(jìn)行監(jiān)測[10]，然而碳納米管在樹脂中的分散性較差，同時(shí)碳納米管混入樹脂中也會影響樹脂粘度，碳納米管含量大會影響成型工藝，含量小無法實(shí)現(xiàn)功能性[11-13]，使得制得的傳感器傳感網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定(電導(dǎo)率7.8×10-8～4.8×10-5S/cm)，應(yīng)變傳感系數(shù)差(碳納米管含量4wt%，應(yīng)變傳感系數(shù)3.5)[14]。

碳納米紙[15-19]是由碳納米管自組裝形成的薄膜材料,主要由范德華力構(gòu)成，具有完整的傳感網(wǎng)絡(luò)、與樹脂基體的相容性良好等優(yōu)點(diǎn)。近年來，碳納米紙作為傳感器有很大的潛力，盧少微等[20]通過真空抽濾法制備了碳納米紙，作為應(yīng)變傳感器監(jiān)測纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，在靜動態(tài)拉伸狀況下應(yīng)變傳感系數(shù)可達(dá)22.1?？梢詫?shí)時(shí)監(jiān)測復(fù)合材料服役過程中的結(jié)構(gòu)損傷[21]。此外，杜凱等[22]研究并實(shí)現(xiàn)了碳納米紙傳感器監(jiān)測復(fù)合材料的低速沖擊損傷。然而，通常航空航天結(jié)構(gòu)件都在高溫高濕環(huán)境下服役，在此條件下受到低速沖擊時(shí)，碳納米紙傳感性能如何會影響其工程應(yīng)用，并且目前這方面研究很少，本文對此開展研究工作。

本文利用真空抽濾的方法制備碳納米紙傳感器，并將傳感器與玻璃纖維板共固化。采用可編程恒溫實(shí)驗(yàn)箱，對復(fù)合材料試樣件進(jìn)行濕度和高溫處理。將處理后的試件使用計(jì)算機(jī)控制落錘沖擊測試機(jī)進(jìn)行低速沖擊試驗(yàn)，并測量電阻變化率。通過對濕熱處理后低速沖擊下傳感器電阻變化率曲線、低速沖擊損傷定位圖來討論傳感器的性能。

1 濕熱條件下低速沖擊損傷實(shí)驗(yàn)

1.1 碳納米紙傳感器的制備

多壁碳納米管由中國科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司提供，具體參數(shù)見表1所示，在制備碳納米紙之前參考了盧少微等[14]通過真空抽濾法制備碳納米紙的工藝參數(shù)。碳納米紙的制備流程圖如圖1所示，具體包括：稱取600 mg多壁碳納米管和6 ml曲拉通并研磨攪拌30 min，之后加入500 ml去離子水形成碳納米管水溶液，機(jī)械攪拌5 h，而后進(jìn)行超聲分散處理(超聲波破碎儀Q-700),超聲功率為100 W，超聲時(shí)間60 min(間歇工作模式：工作2 s，停止2 s),將超聲處理后的碳納米管水溶液放入高速離心機(jī)中，在 6 000 r/min的離心轉(zhuǎn)速下，離心40 min，取離心后上清液，得到均勻的多壁碳納米管穩(wěn)定單分散液。碳納米管單分散液經(jīng)真空抽濾得到碳納米紙，放入烘箱中，在80 ℃下干燥2 h。

表1 多壁碳納米管的參數(shù)

圖1 碳納米紙制備流程

1.2 復(fù)合材料測試件的制備

本次實(shí)驗(yàn)試件由玻璃纖維/環(huán)氧樹脂單向預(yù)浸料(型號CFB-17500)制得，具體方法如圖2所示。將尺寸250 mm×250 mm的玻璃纖維預(yù)浸料沿纖維方向堆積10層，將碳納米紙傳感器裁成30 mm×10 mm的尺寸以陣列的形式鋪放在預(yù)浸料上，之后將預(yù)浸料放入模壓機(jī)中，在120 ℃、壓力2 MPa下固化2.5 h，然后在恒壓下冷卻至室溫取出。之后采用可編程的恒溫實(shí)驗(yàn)箱(LRHS-225-LH)，對試件進(jìn)行濕熱處理，相對濕度為85%，溫度為80℃,環(huán)境處理的連續(xù)時(shí)間為100 h。

圖2 沖擊試驗(yàn)件的具體制備流程

1.3 測試

(1)通過掃描電子顯微鏡(FE-SEM Hitachi S-480)觀察碳納米紙的微觀結(jié)構(gòu)。

(2)利用碳納米紙傳感器監(jiān)測低速沖擊實(shí)驗(yàn)中濕熱處理對復(fù)合材料造成的損傷情況，選擇矩形傳感器以陣列的方式進(jìn)行布置，試驗(yàn)儀器及試件如圖3所示，實(shí)驗(yàn)樣件受到同一部位(8號傳感器位置)的4種不同能量的連續(xù)沖擊，沖擊能量分別為1.813 J、3.626 J、5.439 J以及7.252 J。通過多次沖擊評估損傷進(jìn)展以及對碳納米紙傳感器傳感性能的影響。在4次沖擊下，利用數(shù)字信號電阻采集儀對沖擊面的陣列傳感器的電阻變化進(jìn)行采集記錄。

(3)為了驗(yàn)證碳納米紙傳感器陣列的損傷定位性能，對濕熱處理后的9號傳感器進(jìn)行4種不同能量的連續(xù)沖擊，沖擊能量同為1.813 J、3.626 J、5.439 J以及7.252 J。利用數(shù)字信號電阻采集儀對沖擊面的陣列傳感器的電阻變化進(jìn)行采集記錄。

圖3 計(jì)算機(jī)控制落錘沖擊測試機(jī)及試件圖

2 結(jié)果與討論

2.1 碳納米紙的微觀結(jié)構(gòu)分析

圖4給出了碳納米紙的宏觀形貌以及碳納米紙和碳納米紙/復(fù)合材料的掃描電鏡圖。圖4a為宏觀的碳納米紙圖片，說明碳納米紙具有完整性，圖4b為原始碳納米紙的掃描電鏡圖，從圖中可以看出相鄰的碳納米管之間相互搭接形成的接觸點(diǎn)，這些接觸點(diǎn)和碳納米管之間形成一個(gè)可以供電子移動的導(dǎo)電通路。此外碳納米管之間沒有形成明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，并且在相鄰碳管之間形成網(wǎng)絡(luò)空隙，有利于樹脂浸潤。為了驗(yàn)證碳納米紙傳感器在與復(fù)合材料一體成型時(shí)與樹脂基體是否具有相容性，對碳納米紙/復(fù)合材料進(jìn)行微觀形貌分析，如圖4c和圖4d所示，碳納米管與復(fù)合材料之間并沒有出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，符合監(jiān)測的要求。

2.2 碳納米紙的傳感機(jī)理

沖擊實(shí)驗(yàn)中，在沖擊能量的作用下，復(fù)合材料層合板發(fā)生變形，使得碳納米紙傳感器的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，導(dǎo)致相鄰的碳納米管之間的距離增大。圖5展現(xiàn)了碳納米管在沖擊下的隧道變化。在初始狀態(tài)下，相鄰的碳納米管形成隧道效應(yīng)，展現(xiàn)出隧道電阻。隨著損傷的產(chǎn)生，相鄰的碳納米管之間的距離增大，隧道效應(yīng)減弱，導(dǎo)致隧道電阻增大。隨著損傷的增加，隧道效應(yīng)被切斷，導(dǎo)致電阻快速上升。通過碳納米紙電阻的計(jì)算公式進(jìn)行分析，碳納米紙傳感器的電阻可用公式(1)近似計(jì)算

圖4 掃描電鏡圖

(1)

其中，碳納米管的搭接總電阻(搭接產(chǎn)生的電阻和碳納米管的固有電阻)為RCNT，相鄰碳納米管之間隧道效應(yīng)產(chǎn)生的電阻為RTunnel[23-25]。隧道電阻的增加造成了傳感器電阻的上升。在不同能量的沖擊下，隨著能量的逐步增加，碳納米紙傳感器的損傷逐漸積累，隧道效應(yīng)產(chǎn)生的作用越來越弱，從而使得電阻變化率也不斷上升。另外，在沖擊作用下，碳納米管之間的搭接面積減少，但是對電阻的急劇變化起到微弱作用。這是因?yàn)樘技{米管彈性模量大，在沖擊作用下，其自身形變小，接觸面積減小較弱，故接觸電阻的變化可忽略不計(jì)。

圖5 沖擊下碳納米紙傳感器的傳感模型

2.3 濕熱環(huán)境處理的陣列傳感器復(fù)合材料低速沖擊

濕熱處理后復(fù)合材料低速沖擊實(shí)驗(yàn)8號傳感器的電阻變化率與時(shí)間的關(guān)系如圖6所示。圖6中用ΔR/R0表示傳感器的電阻變化率，ΔR是陣列矩形碳納米紙傳感器的電阻變化值，R0是的傳感器初始電阻。圖6中8號傳感器在第1次沖擊后電阻變化率由0上升到8.760 5，電阻變化率不能回到最初始的狀態(tài)，說明復(fù)合材料層合板已經(jīng)出現(xiàn)損傷裂紋；第2次沖擊后傳感器的電阻變化率從8.760 5變化到23.986 0，增幅為15.225 5；第3次沖擊后，電阻變化率從23.986 0增長到190.297 6，增幅為166.311 6；第4次沖擊后傳感器的電阻變化率從190.297 6增長到497.198 0，增幅為306.900 4。從曲線圖和數(shù)據(jù)可知，傳感器被不同的沖擊能量連續(xù)沖擊，電阻變化率一直保持規(guī)律性增加，展現(xiàn)出良好的監(jiān)測能力，多次沖擊后傳感器依舊保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。每一次的沖擊測試，隨著沖擊能量的增加，傳感器電阻變化率的增幅逐漸變大，這是因?yàn)闆_擊的沖頭對傳感器進(jìn)行直接的撞擊，導(dǎo)致碳納米紙復(fù)合材料層合板的損傷累計(jì)增加，使傳感器的電阻變化率增幅逐步增大。

圖6 濕熱處理后復(fù)合材料低速沖擊試驗(yàn)8號傳感器的電阻變化率與時(shí)間的關(guān)系圖

濕熱處理后復(fù)合材料低速沖擊實(shí)驗(yàn)7號與9號傳感器的電阻變化率與時(shí)間的關(guān)系如圖7所示。實(shí)驗(yàn)中7號和9號傳感器的電信號同樣呈現(xiàn)出典型的沖擊曲線變化趨勢，并從7號及9號傳感器的沖擊曲線圖與數(shù)據(jù)分析上可知，作為對稱位置的7號和9號傳感器變化趨勢完全相同。這種現(xiàn)象說明了碳納米紙傳感器在濕熱條件下具有良好的監(jiān)測沖擊損傷的性能。

圖7 濕熱處理后復(fù)合材料低速沖擊實(shí)驗(yàn)7號與9號傳感器電阻變化率曲線

2.4 基于傳感器陣列的復(fù)合材料沖擊損傷定位

濕熱處理后復(fù)合材料低速沖擊實(shí)驗(yàn)(沖擊位置為8號位)傳感器的電信號陣列分布如圖8a及圖8b所示，圖8a為7號、8號、9號傳感器電阻變化率圖，在第一次沖擊后，被沖頭直接沖擊的8號傳感器，電阻變化率最大。7號與9號傳感器所呈現(xiàn)的電阻變化率也有大幅度的增加，但是相比于8號傳感器信號較弱，圖8b為去除7號、8號、9號傳感器其他電阻變化率圖。其余部位傳感器的電信號都顯示出微弱的變化。這是由纖維的鋪層方式所決定的。7、8和9號傳感器在損傷擴(kuò)展的路徑上，因此會展現(xiàn)出電阻變化率的明顯改變。盡管6號和10號傳感器同樣在損傷擴(kuò)展的路徑上，電阻沒有明顯的改變。這是因?yàn)闆_擊實(shí)驗(yàn)的支座形狀不同，支座的中間為矩形的空洞，7、8和9號傳感器所在的位置底部沒有支撐點(diǎn)，因此，當(dāng)沖頭沖擊時(shí)，三者的傳感器因復(fù)合材料層合板受到較大的形變，所以相對應(yīng)的傳感器電阻變化率較大。其余傳感器由于下面存在支撐力以及傳感器布置位置不同而產(chǎn)生小形變，導(dǎo)致電阻變化率較小。盡管電阻變化率的上升是在相同的變化量范圍，布控位置相互對稱的傳感器依然存在不同的增高趨勢。這種現(xiàn)象可能是由于沖頭對復(fù)合材料層壓板的沖擊部位無法精準(zhǔn)的保證在幾何形狀的中心位置，導(dǎo)致位置的偏移，從而造成相對稱位置的傳感器的電信號的響應(yīng)。另外，由于復(fù)合材料層合板在成型過程中會出現(xiàn)一定的缺陷，導(dǎo)致在沖擊實(shí)驗(yàn)下，存在缺陷的部位會加劇損傷的產(chǎn)生，使得相對稱的位置的電阻變化率出現(xiàn)微弱的不同。

圖8 沖擊8號位置時(shí)傳感器電阻變化率分布圖

圖9 沖擊9號位置時(shí)傳感器電阻變化率分布圖

為了驗(yàn)證傳感器陣列的監(jiān)測性能，再對9號位置進(jìn)行低速沖擊實(shí)驗(yàn)，低速沖擊的能量與上述實(shí)驗(yàn)保持相同，記錄傳感器電阻變化率的變化，繪制成電阻變化率陣列分布圖，如圖9a和圖9b所示。圖9a為8號、9號、10號傳感器電阻變化率圖，在第一次沖擊實(shí)驗(yàn)下，對于直接被沖擊的9號傳感器而言，電阻變化率的上升極其明顯，電阻變化率為8.95，與沖擊位置相鄰近的8號與10號傳感器電信號改變也同樣很明顯，電阻變化率分別為5.75和5.24。圖9b為去除8號、9號、10號傳感器其他電阻變化率圖。其余陣列傳感器的電阻變化率是微弱的。圖9a和圖9b展現(xiàn)出的陣列分布圖的分布規(guī)律與圖8a和圖8b是完全相同的，依然符合沖擊損傷定位的監(jiān)測規(guī)律，即在損傷擴(kuò)展路徑上與沖擊點(diǎn)距離較近的傳感器變化略大于其他傳感器，其余與沖擊點(diǎn)相近的傳感器的電信號響應(yīng)大于距離沖擊位置遠(yuǎn)的傳感器。陣列傳感器的電信號的響應(yīng)情況能夠符合應(yīng)有的規(guī)律性，這同樣說明碳納米紙傳感器陣列具有很好的監(jiān)測服役性能以及損傷定位的能力。

3 結(jié)論

利用碳納米紙作為傳感器，將碳納米紙與玻璃纖維預(yù)浸料一體化成型制造復(fù)合材料層壓板，通過濕熱的特殊環(huán)境處理，用于低速沖擊實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1)碳納米紙傳感器能夠在濕熱的環(huán)境下在線監(jiān)測低速沖擊損傷；

(2)多次沖擊后碳納米紙傳感器依舊具有良好的檢測能力；

(3)通過傳感器的陣列分布，可以實(shí)現(xiàn)低速沖擊損傷的定位；

碳納米紙傳感器有望應(yīng)用于特殊環(huán)境中的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)低速沖擊損傷健康監(jiān)測。