嵌入三維編織復合材料的碳納米線應變傳感特性

賈樹生， 楊連賀， 白會肖， 萬振凱

(1. 天津工業大學 紡織學院， 天津 300387； 2. 石家莊職業技術學院， 河北 石家莊 050081)

三維多向編織復合材料具有高強度、高模量、低密度、耐沖擊、抗疲勞且結構可設計等諸多優點，使其在現代汽車制造、航空航天等領域得到廣泛應用[1-2]；然而，在制造和使用過程中，其內部會產生斷裂、裂紋、纖維脫黏等不同類型的缺陷或損傷，可能引發一些嚴重的事故，導致巨大的經濟損失和環境污染，甚至造成人員傷亡[3]：因此，智能復合材料的研發及復合材料的結構健康監測(Structural Health Monitoring，SHM)顯得尤為重要[4-5]。結構健康監測是確定結構完整性的革命性創新技術，當前SHM方法包括在復合結構內嵌入某種類型的傳感器或者將傳感器置于結構的外表面，這些傳感器對應變或其他變化作出響應以便檢測損傷。目前研究者開發的常用技術包括X射線、超聲波、聲發射、光纖布拉格光柵、渦流檢測等，其中部分技術可對局部損傷進行檢測，但是常常需要對被檢測結構進行拆卸。由于三維編織復合材料結構的特殊性，傳統方法在實現結構健康應用方面受到一定影響[6-7]。另外，使用應變計、加速度計、壓電或壓阻傳感器和光纖傳感器來測量應變、振動、諧波頻率，或其他可用于通過將測量值與已知健康數據集進行比較來評估結構健康的參數，這些方法大都僅在傳感器自身附近提供感測；因此，必須放置在擬檢測的關鍵區域處或附近以便檢測損傷。如果損傷發生在其他區域，則可能未被發現[8]；因此，研發一種既不影響三維編織復合材料自身結構完整性，又具有良好的機電特性、持續穩定的傳感器來監測復合結構的健康狀況是至關重要的。

碳納米線傳感器因體積小，質量輕，導電性強，熱穩定性高且易于構建傳感網絡等優點[9-10]，為智能材料及結構健康監測提供了一種新的途徑[11]。在國外，將碳納米線傳感器用于三維編織復合材料的研究開展得相對較早，但大都采用鋪層或黏貼方式進行復合材料的結構健康監測[12-13]，未見有將碳納米線與增強纖維共同編織對三維編織復合材料進行結構健康監測的報道。在國內，將碳納米線傳感器用于三維編織復合材料結構健康監測的研究表明，作為一種新的綜合和分布式技術，三維編織復合材料結構健康監測中使用碳納米線傳感器是可行的，為其應用提供了新的研究方法和研究基礎[14-16]。截至目前，國內外對碳納米線傳感器嵌入三維編織復合材料后傳感特性的研究尚不多見。

本文從三維編織復合材料的碳納米線傳感器著手，將其嵌入三維五向編織復合材料預制件中，通過單調拉伸和循環加載卸載實驗，分析嵌入三維編織復合材料中的碳納米線應變傳感特性，通過碳納米線應變傳感模型實現對三維編織復合材料結構健康狀況的監測。本文研究對基于碳納米線傳感器的三維編織復合材料原位監測具有重要意義。

1 嵌入碳納米線預制件編織工藝

本文采用三維五向四步法編織工藝將碳納米線織入三維編織復合材料。四步法編織工藝是最常用的一種編織方式，四步法1×1三維編織步驟如圖1[17]所示。編織紗位于攜紗器機器底盤上方，編織紗垂直懸掛在編織設備的上方，攜紗器與編織紗之間形成一種對應的映射關系。編織過程中，織物形狀由機器底盤攜紗器的行與列所排成主體攜紗器確定，附攜紗器一般以一定的間隔附加在主體攜紗器的外邊。編織物一般采用主體紗線的行數m和列數n來命名，表示為m×n。

圖1 四步法三維編織示意圖Fig.1 Four-step three-dimensional weaving diagram

圖2示出三維五向四步法攜紗器運動規律。如圖所示，在每個編制循環中，攜紗器運動分為4步：第1步，相鄰行的攜紗器沿橫向交替運動1個單元；第2步，相鄰列的攜紗器沿縱向交替運動1個單元；第3步，鄰行相對運動，方向與第1步的相反；第4步，鄰列相對運動，與第2步的方向相反；在1個編制循環完成后，攜紗器的排列又回到初始位置。在此過程中，攜紗器沿試件成型方向同時進行“打緊”運動，使紗線緊密地交織在一起，最終形成所需的試件。

圖2 三維五向四步法攜紗器運動規律Fig.2 Yarn arrangement and movement rules of four steps braiding in 3-dimensional 5-direction weaving．(a) First step; (b)Second step; (c)Third step; (d)Fourth step

為研究結構內碳納米線傳感器的傳感特性，在預制件編織時每隔一定間距的碳纖維織入1根碳納米線傳感器作為軸紗。為分析編織工藝對基于三維編織復合材料的碳納米線傳感特性的影響，本文分別對不同編織角及不同碳納米線傳感器織入間距(分別采用5和10，即每間隔5根或10根碳纖維織入1根碳納米線，碳納米線與碳纖維數量之比為1∶5或1∶10)的試件進行上述測試。嵌入碳納米線的三維五向編織復合材料結構如圖3所示。

圖3 嵌入碳納米線的三維五向編織物空間結構Fig.3 Space structure of carbon nanoyarns embedded into composites in 3-dimensional 5-direction weaves

2 碳納米線應變傳感機制

已有研究表明：只有在非常高的應變(15%～20%)條件下，碳納米線才會被破壞[18]；且可與碳纖維一起進行編織，同時對結構起到一定的強化作用，并能對三維編織復合材料進行損傷檢測。

在分析基于壓阻效應碳納米線傳感器的傳感特性時，首先考慮到歐姆定律：

(1)

式中：R0為碳納米線傳感器的初始電阻；ρ為電阻率；L為碳納米線傳感器的長度；A為碳納米線傳感器的截面積。

電阻變化率ΔR可表示為

(2)

式中，R為碳納米線傳感器變化后的電阻。

碳納米線傳感器長度變化可描述為

(3)

式中，ε11為應變系數。通過分析可知式(3)的第2部分可忽略不計。依照泊松效應，碳納米線傳感器的截面變化是橫向同性的，傳感器截面可表示為

A′=A(1-2ν12ε11)

(4)

式中，ν12為碳納米線傳感器的泊松比。經變換得

(5)

則

(6)

用應變靈敏系數εGF來表征碳納米線傳感器的應變靈敏度：

(7)

3 實驗分析

3.1 實驗材料及試件制備

碳納米線采用蘇州恒球石墨烯科技有限公司研制的HQCNTs-014(由碳納米管陣列干法紡絲法制備，屬于多壁碳納米管纖維)；碳纖維采用T300B-3K；基體材料采用環氧樹脂TDE-86；固化劑采用70酸酐。

采用天津工業大學研制的180×120矩形編織機，實驗所用試件采用三維五向編織工藝及真空輔助樹脂傳遞模塑固化成型工藝(VARTM)在天津工業大學復合材料研究所進行制備。試件長寬尺寸為250 mm×25 mm，將試件中碳納米線的兩端擦拭干凈后涂抹銀膠，試件中2個碳納米線端點用銅導線連接，如圖4所示。

圖4 三維編織復合材料試件樣本Fig.4 Three-dimensional braided composite sample

3.2 碳納米線應變傳感實驗系統

將制備的嵌入碳納米線傳感器的三維編織復合材料預制件作為測試件，縱向拉伸實驗測試如圖5所示。即在試件的兩端施加縱向拉伸應力，用于測試其應變傳感特性，將其接入傳感實驗系統。

圖5 縱向拉伸實驗測試示意圖Fig.5 Schematic diagram of longitudinal tensile test

采用AG-250KNE型萬能材料試驗機(日本島津公司)記錄拉力和位移數據；采用50 mm的伸縮儀記錄試件的應變數據；采用電阻應變儀記錄機械加載期間試件的原位電阻。在試件的碳納米線連接導線處連接10 V直流電壓，其他相關連接設備如圖6所示。拉伸速度為2 mm/min。本文實驗均在常溫下進行。

圖6 應變傳感實驗系統Fig.6 Strain sensing experiment system

3.3 碳納米線傳感器應變傳感特性分析

對三維五向編織復合材料的不同試件進行連續承載應力增加直至試件斷裂，測試不同階段的機械負載，分析其應變傳感變化規律。本文采用單調拉伸實驗和循環加載實驗，對試件的拉伸應力、應變與碳納米線傳感器電阻變化及應變傳感靈敏度等進行詳細分析，其中循環加載實驗采用持續遞增的加載卸載循環，直至試件最終斷裂為止，即進行漸進損傷累計(PDA)的實驗方法。當實驗系統進行機械載荷作用時，考慮到三維編織復合材料試件初始電阻的差異，通過碳納米線傳感器電阻變化率ΔR/R0進行狀態描述。

3.3.1碳納米線單調拉伸應變傳感特性

首先，對內嵌有碳納米線傳感器的三維編織復合材料試件t01進行單調拉伸實驗，應力-應變及電阻變化的典型結果如圖7所示。由圖可見，電阻變化率與縱向機械應變呈線性增加，表明允許電流通過的導電通路減少，這與碳納米線傳感器的應變傳感機制有關。對圖7中電阻變化率與應變進行線性擬合，結果如式(8)所示，擬合復相關系數R2為0.988 。

y=2.424 8x-0.673 1

(8)

圖7 試件t01的典型單調拉伸及電阻變化率曲線Fig.7 Typical monotonic stretch and resistance change rate curve of specimen t01

研究結果表明，三維編織復合材料相比碳納米線承受變形的能力要高得多，碳納米線傳感器非常適合于監測破壞極限應變遠小于其應變(純碳納米線傳感器的破壞應變均值為9.4%，最小值為2.5%)的復合材料應用。與純碳納米線傳感器的應變傳感特性相比，嵌入三維編織復合材料碳納米線傳感器的電阻變化率與應變的線性相關度有所降低。在同等拉伸條件下，嵌入試件后的碳納米線變形要大一些，但是碳納米線傳感器的電阻變化率與拉伸應力仍具有較好的線性關系，并不影響其對材料進行損傷監測。

3.3.2碳納米線循環加載拉伸應變傳感特性

對內嵌有碳納米線的三維編織復合材料試件t02進行PDA實驗，以探討碳納米線在三維編織復合材料大范圍機械加載下的傳感性能。加載引起材料損傷可在各卸載步后通過殘余應變的測量值觀察到。對試件t02進行直至斷裂的13次逐步遞增的加載卸載循環，其應力-應變和電阻變化關系如圖8所示。

圖8 試件t02的應力-應變及碳納米線電阻變化曲線Fig.8 Stress strain and carbon nanoyarns resistance curves of specimen t02.(a) Stress-strain curve;(b) Strain and carbon nanoyarn sensor resistance curve

從圖8中試件的縱向機械應變、縱向應力及碳納米線傳感器的電阻變化隨時間的變化曲線可看出，應變、電阻變化率與應力表現出應有的單調一致性，即隨著加載的增加而單調增加，反之隨著卸載而單調減小。同時也發現，在逐步遞增直至斷裂13次持續漸進循環周期中出現的加載和卸載分支，產生了殘余損傷，即在零機械載荷下三維編織復合材料不會恢復到絕對零應變，例如：第9次循環后應變約恢復至0.15%；第11次循環后約恢復至0.25%。對于電氣性能，可以觀察到類似的特性，第5次循環后(即超過1.0%應變后)，電阻變化率不會恢復至零，隨著應力應變水平的持續增加，殘余電阻也相應地增大。

從圖8還可看出：在低應變水平下(至第4次循環)，卸載后紗線電阻變化恢復至零值；在超過大約1.0%的應變閾值(第5次循環)時，卸載后并未恢復至零值，存在殘余電阻；隨著每次加載循環中施加的機械載荷的增加，殘余電阻以線性方式持續增加，在該特定點(以下稱為“轉變點”)后所有紗線均記錄了殘余電阻變化率，此時，三維編織復合材料加載循環拉伸應力超過了200 MPa。殘余電阻的臨界值是在第4步卸載后出現的，這實際上代表了三維編織復合材料的損傷閾值，進一步可檢測三維編織復合材料試件內部可能產生損傷的階段及類型；因此，這些殘余電阻值可能與三維編織復合材料中導致的損傷密切相關。產生殘余電阻的原因有2種：1)三維編織復合材料試件內部(即基體或碳纖維)產生損傷；2)碳納米線傳感器本身產生損壞。已有研究表明碳納米線傳感器可承受的最大應變達20%；而此時的應變只有約1.0%，因此，可排除碳納米線傳感器產生損傷的可能，最有可能的是試件本身發生了諸如基體裂紋或纖維分離等類型的損傷。試件內部損傷導致碳納米線傳感器電阻的變化，但隨著載荷的繼續增加直至斷裂，碳納米線傳感器電阻變化率和應變仍具有相似的線性關系。

為深入探討三維編織復合材料損傷以及累計損傷的發生，分析三維編織復合材料的機械電阻響應關系，分析碳納米線傳感器的傳感特性，對試件t03進行9次持續遞增的加載卸載階段，具體的加載級別分別為試件斷裂應力的8%、16%、25%、33%、41%、50%、58%、66%和74%。對試件進行的各次加載卸載階段的典型結果如圖9所示。碳納米線傳感器的電阻變化遵循試件的機械響應即應力-應變，加載時電阻增大，卸載時電阻減小。

從圖9可看出：對于最初的4次加載卸載階段(最大200 MPa或0.75%應變)，加載和卸載過程中的電阻變化率遵循相同的模式；第5次加載后，通過加載和卸載階段形成邊界滯后回線，電阻變化未恢復至零狀態，產生了殘余電阻值，圖中可識別出加載和卸載分支。為此，在每次加載階段后，記錄了三維編織復合材料的縱向應變殘值，以及嵌入碳納米線傳感器的電阻變化殘值。

碳納米線傳感器嵌入三維編織復合材料以對其進行損傷檢測，需要分析碳納米線傳感器電阻和機械應變的量化關系。為此，在各次加載循環時記錄并計算以下參數：1)機械應變差Δε，為加載開始直至達到最大值的差。其中記錄了殘留值，特別是在較大應變時，僅計算應變凈增值，避免殘余應變帶來的影響。2)電阻變化差ΔRERC，相應地計算了從每次加載開始直至達到峰值的電阻變化差值，通過該差值的使用避免上一次加載循環產生殘余電阻值的影響。3)機械應力差Δσ，計算了每次加載循環的機械應力差值，進而可計算應力的真實增加值。

取每次加載循環的起點和峰點凈值，拉伸應變和電阻變化RERC之間的直接相關性呈近似線性。考慮到需使用RERC來反映相關機械應變的信息，可采用如下線性方程：

圖9 試件t03逐步加載卸載循環條件下應變和電阻變化關系圖Fig.9 Strain and resistance change diagrams of specimen t03 in different incremental loading and unloading circulations.(a) First loading-unloading; (b) Second loading-unloading; (c) Third loading-unloading; (d) Fourth loading-unloading; (e) Fifth loading-unloading;(f) Sixth loading-unloading; (g) Seventh loading-unloading; (h) Eighth loading-unloading; (i) Ninth loading-unloading

(9)

式中，εCRS為電阻應變相關系數。電阻變化的凈差值與機械應變的凈差值呈直接相關。繪制在電阻變化率(X軸)和應變(Y軸)圖上時，此參數實際上是每次加載的曲線斜率或者是逆斜率，實際為應變靈敏系數，即εGF=1/εCRS，因此，可針對各加載循環按下式計算：

(10)

根據式(10)計算εGF值，每次加載階段的最大軸向應變與應變靈敏系數εGF(即1/εCRS)之間的關系如圖10所示。在軸向應變值比較低(<0.85%)時，εGF隨著應變的增加快速增大；應變較高(即超過0.85%閾值的應變)時，1/εCRS與施加的應變之間呈線性相關，εGF值隨機械應變的增加基本保持恒定：因此，對超過該閾值的應變水平計算平均εGF值。

圖10 碳納米線應變靈敏系數與復合材料應變關系Fig.10 Gauge factor of carbon nanoyarns and strain correlation diagram of composites

使用式(10)，利用上述方法構建碳納米線應變傳感模型，可對內嵌有碳納米線傳感器的三維編織復合材料進行應變傳感分析。在機械加載過程中引起的損傷使材料力學性能降低，該損傷可通過歸一化彈性模量(E/E0)的降低來檢測[19]。已有研究表明，該參數描述了三維編織復合材料的結構健康狀態，隨加載卸載循環的進行不斷減小，通常是由于基體開裂、脫黏等方式引起三維編織復合材料損傷[20]。

按照上述方法分析引起的三維編織復合材料損傷，分析了試件歸一化彈性模量與應變傳感系數的關系，如圖11所示。E/E0值高于0.85%時，2個參數之間呈線性相關；而E/E0值低于0.85%時，顯示出的特性不是很明顯：因此，圖10中εCRS值的增大可以通過歸一化彈性模量降低所反映的三維編織復合材料中誘發的損傷來解釋，εCRS參數隨此參數呈近似線性遞減。但在三維編織復合材料的后期和斷裂之前，這種線性狀態終止，實際上是對大范圍損傷和最終斷裂的預測，因為應變靈敏系數隨試件損傷的增加而減小。

圖11 三維編織復合材料的歸一化彈性模量值與應變靈敏系數關系Fig.11 Normalized elastic modulus and gauge factor correlation diagram of 3-D braided composites

本文實驗中，試件t02、t03具有不同的表面編織角和織入間距，在循環加載過程中，試件內部碳納米線傳感器的電阻變化規律基本一致，說明編織角對三維五向編織復合材料電阻變化率影響不大。另外，2種不同織入間距試件的碳納米線電阻變化與應變關系表現基本一致。由于三維編織復合材料試件的內部織入了碳納米線傳感器，材料內部的損傷對傳感器電阻變化有很大的影響，因此，通過碳納米線傳感器電阻變化的分析可識別試件內部產生的損傷。對三維編織復合材料進行的PDA測試表明，只有在超過三維編織復合材料斷裂應力約40%后才會形成滯后回線，電阻變化值較大。本文研究中的所有碳納米線傳感器均顯示出類似的特性，因而能實現三維編織復合材料的應變監測，從而實現對三維編織復合材料中漸進損傷及累積的更好監測。

4 結 論

1)試件的機械應力與碳納米線傳感器的電阻變化具有很好的線性相關性。實驗結果顯示，在不同遞增的循環加載卸載階段，試件在單調拉伸和循環加載卸載拉伸(漸進損傷累計)情況下，其應力與傳感器電阻變化率表現出較好的線性相關性，并可通過電阻應變相關系數來描述應變傳感方程，可對三維編織復合材料的結構健康狀況進行原位監測。

2)機械加載階段斷裂應力負載的百分比與碳納米線傳感器的電阻變化之間的直接相關性，使其可用于三維編織復合材料結構健康監測的應變傳感器。碳納米線傳感器的殘余電阻可歸因于試件的損傷或累積損傷所致，三維編織復合材料達到一定程度的荷載應力時，碳納米線傳感器的電阻變化可用于檢測結構本身發生的故障或在服役期間產生的過載損傷，結構產生的損傷可由機械應力和電阻變化率進行分析。

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