[發明專利]碳纖維復合材料全過程在線監測方法及監測裝置

有效

• 申請號: 202010762894.3
• 申請日: 2020-07-31
• 公開（公告）號: CN111928893B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發明（設計）人: 周華民;周何樂子;張峰嘉;王飛飛;張云;黃志高;李德群
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 尚威;李智

本發明屬于材料科學與工程領域，公開了一種碳纖維復合材料成形?服役全過程在線監測方法及監測裝置。該監測方法利用多功能材料的熱釋電效應與壓電效應來監測碳纖維復合材料成形過程中的溫度變化與服役過程中的健康狀態。該監測裝置包括對溫度、應變具有響應的多功能材料作為信號源發生器，與多功能材料所引出的導線負極及構件表面正極連接的外部電路和處理器。通過本發明，可實現對碳纖維復合材料成形過程與服役過程中溫度、應力、應變的實時監測，從而實現成形?服役全過程監測，減少多種傳感監測系統附加對構件性能產生的影響，實現碳纖維復合材料構件監測智能化。

技術領域

本發明屬于材料科學與工程領域，涉及碳纖維增強復合材料成形-服役全過程在線監測方法及監測裝置，更具體地，涉及一種碳纖維增強復合材料成形與服役的全過程監測技術。

背景技術

由于碳纖維增強復合材料具有高比強度、高比模量等優點，其廣泛應用于航空航天、軌道交通、土木建筑、能源等領域，如飛機機身、潛艇螺旋槳、發動機葉片、風電葉片等。但由于復合材料生產工藝復雜，容易在成形過程中由于溫度波動大及不均勻產生固化不完全及熱應力翹曲等缺陷，而這些缺陷使構件在復雜的服役環境中發生損傷甚至影響使用。為避免碳纖維復合材料構件成形過程中產生過多缺陷以及缺陷對構件服役過程產生的影響，對碳纖維復合材料構件成形及服役全過程的在線監測至關重要。

目前，有多種方法可以實現對碳纖維復合材料成形過程或服役過程的在線監測，包括聲發射檢測技術、光纖光柵傳感技術等，但是上述技術存在如下問題：

1、聲發射檢測技術在應力、應變檢測中應用廣泛，主要用于對碳纖維復合材料服役過程的損傷狀態進行監測，很難實現對溫度的檢測，并且聲發射檢測技術需要附加傳感器進行檢測，傳感器在安裝、服役過程中易受外界環境影響，其在線監測應用范圍受限。

2、光纖光柵傳感技術所使用的FBG傳感器雖然可檢測成形與服役過程中溫度、應力、應變變化，但FBG傳感器的使用需要布置引線將其預埋于構件中，復材成形脫模階段容易破壞引線，且引線對復材構件的安裝產生影響，因此一般用于成形監測的FBG傳感器不具有服役監測的功能；也不僅如此，光纖的直徑幾倍于碳纖維，對構件的力學性能產生影響，降低構件的使用壽命，故光纖光柵傳感器用于服役性能的檢測多使用貼片的方式。

因此，由于傳感系統的脆弱性、與樹脂基體的界面結合性、對服役條件的適應性等問題尚未得到有效解決，聲發射檢測技術與光纖傳感等技術無法實現同時對固化過程的監測和對服役過程健康狀態的監測，即無法實現成形-服役全過程監測。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種多功能碳纖維復合材料全過程在線監測方法及監測裝置，其目的在于，通過將同時具有介電/壓電及熱釋電性能的多功能材料用于碳纖維復合材料構件，利用雙方優點與特點，改善碳纖維復合材料結構件生產的工藝過程，提高成形過程的監測能力，同時減少不同監測傳感系統的附加對構件產生的影響，簡化監測系統制造工藝，降低成形過程監測與構件損傷監測的成本，實現碳纖維復合材料成形過程的溫度監測與服役過程的應力及損傷狀態監測。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種碳纖維復合材料全過程在線監測方法，該方法利用多功能材料的熱釋電效應與壓電效應來監測碳纖維復合材料成形過程中的溫度變化與服役過程中的應力變化，具體為：

利用同時具有介電/壓電效應與熱釋電效應的多功能材料作為碳纖維復合材料的層間相，并在該層間相的表面以及該層間相相鄰的一個碳纖維復合材料層上分別設置導線，組成監測電路的核心，由于碳纖維復合材料構件成形過程中的溫度監測與服役過程的應力及損傷，均會引起該層間相與該相鄰碳纖維復合材料層上的電荷變化從而導致電信號變化，通過監測上述電信號變化實現碳纖維復合材料構件成形過程中的溫度監測與服役過程的應力及損傷監測，即實現碳纖維復合材料構件的成形-服役全過程在線監測。

進一步地，該碳纖維復合材料全過程在線監測方法包括如下步驟：