基于碳納米管紗線扭電能的復(fù)合材料損傷監(jiān)測(cè)

李 鵬， 萬(wàn)振凱， 賈敏瑞

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 工程教學(xué)中心， 天津 300387)

三維編織復(fù)合材料主要作為航天用結(jié)構(gòu)承載部件，在長(zhǎng)期服役期間面臨著復(fù)雜載荷環(huán)境,反復(fù)作用的疲勞載荷可使其內(nèi)部產(chǎn)生損傷。試件損傷的累積會(huì)導(dǎo)致材料的剛度和剩余強(qiáng)度發(fā)生變化,將嚴(yán)重影響構(gòu)件的使用壽命和安全系數(shù)。航天材料的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與其他領(lǐng)域不同，必須保證在不增加結(jié)構(gòu)試件質(zhì)量、不降低結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的前提下，具備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、全局損傷監(jiān)測(cè)的要求[1]。

多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了深入研究：Alexopouios等[2]將碳納米管紗線嵌入玻璃纖維增強(qiáng)聚合物(GFRP)中，用于復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，分析了不同拉伸載荷情況下，制件機(jī)械應(yīng)力與碳納米管(CNT)紗線電阻變化的關(guān)系，研究表明試件載荷和CNT紗線電阻變化是一種指數(shù)曲線關(guān)系，CNT紗線作為應(yīng)變測(cè)量傳感器具有很好的重復(fù)性，且說(shuō)明了CNT紗線易于嵌入在復(fù)合材料中，而并不會(huì)降低材料的力學(xué)性能；Jandro等[3]研究了CNT紗線的壓敏電阻特性發(fā)現(xiàn)，CNT紗線可集成到復(fù)合材料中，而主體材料的質(zhì)量和力學(xué)性能保持不變，由CNT紗線組成的應(yīng)變傳感器比金屬箔應(yīng)變傳感器具有更高的應(yīng)變系數(shù)；Nisha等[4]研究了CNT紗線嵌入GFRP中構(gòu)建智能納米材料的方法，結(jié)果表明在GFRP中嵌入CNT紗線不會(huì)降低材料的力學(xué)性能。

我國(guó)一些科技工作者圍繞CNT紗線力學(xué)特性及其應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，分析了不同參數(shù)CNT紗線制備技術(shù)[5]，提出了不同參數(shù)CNT紗線的制備方法，研究了嵌入三維復(fù)合材料中CNT紗線的傳感特性[6]，證明了CNT紗線的電阻變化與試件承載載荷具有很好的重復(fù)性和線性關(guān)系。此外，利用嵌入CNT紗線分析三維編織復(fù)合材料損傷[7]，建立了基于CNT紗線的三維編織復(fù)合材料試件內(nèi)部損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[8-9]；同時(shí)，利用統(tǒng)計(jì)方法研究了三維編織智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)[10-11]。

上述研究表明，CNT紗線用于三維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是可行的，但所有研究均是以CNT紗線的電阻變化為基礎(chǔ)，監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電路可靠性低。Kim等[12]研究發(fā)現(xiàn)，CNT紗線在承載過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生扭電能(twist energy)，出現(xiàn)這一現(xiàn)象是因?yàn)楫?dāng)CNT紗線被擰緊或拉伸時(shí)，碳納米管之間的距離變小，離子聚集到一起，碳納米管密度變大，使紗線上的電荷彼此靠近從而增加其能量。也就是說(shuō)，在拉伸過(guò)程中，CNT紗線被擰緊或拉伸將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成為了電能。其研究結(jié)果說(shuō)明，CNT紗線扭電能輸出與制件的拉伸強(qiáng)度具有良好的線性關(guān)系和重復(fù)性。安萍等[13]研究了CNT體積分?jǐn)?shù)對(duì)CNT復(fù)合薄膜電氣性能的影響，結(jié)果說(shuō)明當(dāng)CNT體積分?jǐn)?shù)較小時(shí), CNT復(fù)合薄膜的電導(dǎo)率變化比較緩慢且非常小，復(fù)合薄膜表現(xiàn)為絕緣特性；當(dāng)CNT體積分?jǐn)?shù)為1%～3%時(shí)，CNT復(fù)合薄膜的電導(dǎo)率迅速增大，復(fù)合薄膜表現(xiàn)為半導(dǎo)體特性；當(dāng)CNT體積分?jǐn)?shù)大于3%時(shí)，CNT復(fù)合薄膜的電導(dǎo)率變化平緩, 復(fù)合薄膜表現(xiàn)為導(dǎo)體特性。這表明CNT體積分?jǐn)?shù)大于3%時(shí)，CNT紗線在拉伸時(shí)會(huì)產(chǎn)生扭電能。本文針對(duì)CNT紗線扭電能現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，將CNT紗線通過(guò)編織工藝嵌入到三維編織復(fù)合材料制件中，構(gòu)建傳感器不需外部供電的航天結(jié)構(gòu)制件損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其損傷評(píng)估算法。

1 CNT紗線嵌入方法

為保證嵌入三維編織復(fù)合材料中的CNT紗線不彎曲，本文采用三維六向四步法編織技術(shù)將CNT紗線與碳纖維紗線共同編織，構(gòu)建新型三維智能復(fù)合材料。圖1示出三維六向四步法編織工藝示意圖。

圖1 三維編織機(jī)示意圖Fig.1 Schematic diagram of three-dimensional braiding machine

三維六向四步法編織技術(shù)是由三維五向編織工藝發(fā)展出的編織技術(shù)，是在第六向編織方向上設(shè)置編織紗，并且軸紗數(shù)量和第六向紗數(shù)量按需要可以調(diào)整。圖2示出三維六向攜紗器排布規(guī)律示意圖。圖中：△表示軸紗(CNT紗線)攜紗器；○表示編織紗(碳纖維)攜紗器；—表示引入的第六向紗線(CNT 紗線)。在編織過(guò)程中，編織紗攜紗器的運(yùn)動(dòng)由沿行和列交替運(yùn)動(dòng)組成，與四步法攜紗器運(yùn)動(dòng)過(guò)程相同，紗線在攜紗器的引導(dǎo)下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和空中取向，而軸紗攜紗器只在行的方向上平動(dòng)，經(jīng)過(guò)一個(gè)機(jī)器循環(huán)回到原始處。攜紗器每運(yùn)動(dòng)2步后，進(jìn)行“打緊”，沿行的方向加入緯紗(CNT紗線)，包括最外層的邊紗部位，緯紗在垂直于軸向紗的方向來(lái)回穿梭。整個(gè)編織過(guò)程的軸紗和緯紗都不參加編織，分別在編織成型和寬度方向上均勻地夾在編織紗之間的空隙內(nèi)，在這種編織結(jié)構(gòu)的每一個(gè)機(jī)器循環(huán)中，編織紗攜紗器運(yùn)動(dòng)仍為4步，且每步運(yùn)動(dòng)距離相等，軸向紗攜紗器只沿行向運(yùn)動(dòng)，不沿列向運(yùn)動(dòng)，保持直線狀態(tài)。

圖2 三維六向攜紗器排布規(guī)律示意圖Fig.2 Schematic diagram of carriers arrangement for three-dimensional six-direction braiding

2 CNT紗線扭電能變化規(guī)律

CNT紗線通過(guò)三維六向編織工藝嵌入三維編織復(fù)合材料后，與外部采集電路采用端點(diǎn)鍍銀方式進(jìn)行連接，以減小連接點(diǎn)阻抗對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，通過(guò)多路信號(hào)放大器對(duì)CNT紗線的電荷進(jìn)行放大，然后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)轉(zhuǎn)換讀取，并對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取三維編織復(fù)合材料試件實(shí)時(shí)損傷狀態(tài)信息。利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)三維編織復(fù)合材料制件的實(shí)時(shí)損傷監(jiān)測(cè)，分析出試件不同類型損傷與扭電能的數(shù)據(jù)關(guān)系，通過(guò)主成分分析(PCA)理論分析出CNT紗線扭電能在試件承載中變化規(guī)律。

3 三維編織復(fù)合材料試件損傷算法

PCA是將一組具有相關(guān)性的變量重新組合轉(zhuǎn)換成一組新的互相無(wú)關(guān)綜合變量的算法，通過(guò)PCA可用幾個(gè)較少的綜合變量反映原來(lái)多變量的綜合信息，主要包括數(shù)據(jù)的預(yù)處理、基準(zhǔn)模型建立、主成分計(jì)算和在線故障診斷幾部分。

3.1 測(cè)試數(shù)據(jù)的預(yù)處理

X是多個(gè)CNT紗線傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)矩陣，代表每個(gè)試件樣本的測(cè)量數(shù)據(jù)集合。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，采集的CNT紗線數(shù)據(jù)在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。CNT紗線扭電能數(shù)據(jù)可用三維矩陣形式進(jìn)行組織，其中：I為試驗(yàn)次數(shù)；K為試件個(gè)數(shù)；J為傳感器個(gè)數(shù)。應(yīng)用PCA數(shù)據(jù)分析時(shí)，首先對(duì)矩陣X數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，對(duì)每個(gè)CNT紗線測(cè)量的數(shù)據(jù)用同一時(shí)刻所有CNT紗線測(cè)量數(shù)據(jù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行歸一化。

3.2 PCA基準(zhǔn)模型構(gòu)建

3.3 PCA復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)

對(duì)監(jiān)測(cè)試件使用的CNT紗線數(shù)量必須與PCA基準(zhǔn)數(shù)據(jù)建設(shè)階段使用的CNT紗線相同，采集數(shù)據(jù)的數(shù)量與PCA基準(zhǔn)數(shù)據(jù)數(shù)量相同。根據(jù)投影主成分?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算出相應(yīng)的T2統(tǒng)計(jì)量、Q統(tǒng)計(jì)量損傷指數(shù)，將損傷指數(shù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)相比得出試件損傷狀態(tài)和損傷類型。

損傷指數(shù)是用于評(píng)價(jià)復(fù)合材料試件承載受力后破壞狀態(tài)的無(wú)量綱指數(shù)，分為整體損傷指數(shù)和局部損傷指數(shù)。

第i個(gè)試驗(yàn)的T2損傷指數(shù)定義為

式中：xi為第i次試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)的行向量；tsi為矩陣第i行的行向量；P為矩陣X的PCA轉(zhuǎn)換矩陣；Λ=diag(λ1,λ2,…,λj,…，λi)；λj是矩陣X協(xié)方差矩陣的特征值。

第i次試驗(yàn)向量xi的Q損傷指數(shù)定義為

(6)

4 CNT紗線扭電能變化規(guī)律分析

本文研究中所制備的復(fù)合材料試件編織紗為碳纖維T300B，在三維六向復(fù)合材料試件的制備中，每間隔8個(gè)編織紗(T300B碳纖維)攜紗器，設(shè)置1根CNT紗線作為軸向紗，按三維六向四步編織生成具有智能功能的三維復(fù)合材料試件。CNT紗線采用南京先豐納米材料科技有限公司生產(chǎn)的碳納米管紗線，強(qiáng)度為800～1 000 MPa、模量為50～100 GPa。試件基體選用環(huán)氧樹(shù)脂TDE-86，復(fù)合材料預(yù)制件采用70酸酐固化。試件尺寸均為 35 mm×20 mm×10 mm。拉伸試驗(yàn)利用日本島津公司SHIMADZU AG-250KNE型材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，試件拉伸速度為0.5 mm/min。圖3示出3個(gè)含有CNT紗線的六向編織復(fù)合材料試件。

圖3 復(fù)合材料試件Fig.3 Test specimens of composite material

試件參數(shù)如表1所示。試件1#為不存在任何缺陷的三維編織復(fù)合材料制件；2#為含有2處孔洞損傷的試件，洞損尺寸分別為0.40和0.23 mm；3#中內(nèi)部設(shè)置了2處裂紋，裂紋長(zhǎng)度約為0.93和0.61 mm。

表1 三維編織復(fù)合材料試件參數(shù)Tab.1 Parameters of specimen for three-dimensional braided composite material

試驗(yàn)按ASTM D3039—1976《聚合物基復(fù)合材料拉伸性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》進(jìn)行，采用機(jī)械應(yīng)力分段加載方式。試件1#為參考試件，參與所有加載方式。試件2#采用分段加載方式，第1段加載至斷裂應(yīng)力的50%，第2段加載至斷裂應(yīng)力的90%。試件3#采用直接加載至斷裂應(yīng)力的90%。在上述拉伸試驗(yàn)中，分析3個(gè)試件內(nèi)部CNT紗線的扭電能數(shù)據(jù)變化與試件內(nèi)部損傷關(guān)系。

為研究CNT紗線的扭電能特征，對(duì)試件1#進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。可以看出：在應(yīng)變?yōu)?%～3%區(qū)間內(nèi)，CNT紗線的扭電能具有一定的變化，特別是在拉伸0.5%之內(nèi)，扭電能的數(shù)值較大，這是因?yàn)樵诶斐跗冢嚰?nèi)部的樹(shù)脂存在微小的裂變，基體裂紋和纖維存在一定分離，使得CNT紗線扭電能出現(xiàn)變化；隨著拉伸的進(jìn)行，試件樹(shù)脂裂變趨于穩(wěn)定，而CNT的扭電能也趨于穩(wěn)定，這說(shuō)明基于CNT紗線的扭電能，對(duì)試件的內(nèi)部損傷識(shí)別具有很高的分辨力。

圖4 應(yīng)力應(yīng)變和扭電能電荷變化Fig.4 Correspondence diagram of stress strain and twist energy charge change

利用PCA指數(shù)來(lái)分析試件的損傷情況，圖5示出試件1#、2#第1段拉伸加載試驗(yàn)計(jì)算的T2指數(shù)曲線圖。可以看出，試件1#的T2指數(shù)值遠(yuǎn)小于試件2#的，試件1#的T2損傷指數(shù)值在拉伸試驗(yàn)中變化量不大。試件2#的T2損傷指數(shù)值可表明其在拉伸過(guò)程中，有2處T2損傷指數(shù)值大于800，1處位于應(yīng)變2.3%處,1處位于應(yīng)變4.1%處，可以說(shuō)明在應(yīng)變?yōu)?.3%和4.1%時(shí)，試件2#內(nèi)部的孔洞對(duì)CNT紗線扭電能產(chǎn)生很大影響，同時(shí)可看出，第1處損傷T2損傷指數(shù)值較大，這說(shuō)明利用該指數(shù)值可描述試件的損傷情況，也可以通過(guò)試件中CNT紗線的布線位置以及扭電能的大小，采用文獻(xiàn)[8]計(jì)算方法分析試件的損傷位置。

圖5 試件1#和2#第1段拉伸T2值Fig.5 T2 value of specimens 1# and 2# in first stretching

由于試件2#內(nèi)部含有0.40和0.23 mm孔洞，而對(duì)應(yīng)的T2損傷指數(shù)值為1 000 和900，可計(jì)算出基于CNT 扭電能T2損傷指數(shù)值的損傷分辨δ為0.002 mm。

圖6示出試件1#和2#第1段拉伸試驗(yàn)的Q損傷指數(shù)曲線。可以看出，Q損傷指數(shù)曲線的變化規(guī)律與T2損傷指數(shù)基本一致，不同的是Q損傷值很小，但曲線變化較為平滑，這說(shuō)明Q損傷指數(shù)曲線對(duì)損傷特征的描述更為詳細(xì)，更能準(zhǔn)確計(jì)算出損傷的位置。

圖6 試件1#和2#第1段拉伸Q值Fig.6 Q value of specimens 1# and 2# in first stretching

圖7、8分別示出試件1#、2#第2段拉伸試驗(yàn)的T2損傷指數(shù)和Q損傷指數(shù)曲線。可以看出，試件在損傷處，Q損傷指數(shù)值大于其他拉伸階段的Q值，通過(guò)Q值可準(zhǔn)確判斷試件出現(xiàn)損傷的準(zhǔn)確時(shí)刻。

圖7 試件1#和2#第2段拉伸T2值Fig.7 T2 value of specimens 1# and 2# in second stretching

圖8 1試件#和2#第2段拉伸Q值Fig.8 Q value of specimens 1# and 2# in second stretching

圖5～8表明：試件2#經(jīng)過(guò)2段拉伸試驗(yàn)，均能利用CNT紗線扭電能監(jiān)測(cè)出試件的內(nèi)部損傷，這說(shuō)明基于CNT紗線的扭電能并結(jié)合損傷指數(shù)可監(jiān)測(cè)試件任何內(nèi)部損傷狀態(tài)。

圖9、10分別示出試件1#、3#加載試驗(yàn)T2損傷指數(shù)和Q損傷指數(shù)曲線。試件3#是含有裂紋損傷的試件，圖9、10損傷指數(shù)曲線均呈現(xiàn)出2處低峰值，該低峰值是由于2#試件內(nèi)部的2處損傷導(dǎo)致扭電能的變化，且損傷指數(shù)曲線波動(dòng)較大，這說(shuō)明裂紋損傷對(duì)CNT紗線扭電能的影響較大，且影響到多個(gè)CNT紗線的扭電能，使得損傷指數(shù)變化波動(dòng)較大。

圖9 試件1#和3#拉伸T2值Fig.9 T2 value of specimens 1# and 3# in stretching

圖10 試件1#和3#拉伸Q值Fig.10 Q value of specimens 1# and 3# in stretching

5 結(jié) 論

本文基于碳納米管(CNT)紗線拉伸在試件損傷時(shí)出現(xiàn)扭電能的現(xiàn)象，采用主成分分析方法，對(duì)航天三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論。

1)采用三維六向四步法編織技術(shù)將CNT紗線與碳纖維紗線共同編織，提出構(gòu)建智能三維復(fù)合材料的方法，解決了編織復(fù)合材料嵌入傳感器因彎曲造成的測(cè)量誤差問(wèn)題。

2)復(fù)合材料試件在拉伸過(guò)程中，試件內(nèi)部的損傷會(huì)引起內(nèi)部CNT紗線的扭電能變化，孔洞損傷對(duì)CNT紗線的扭電能影響比較集中；裂紋損傷對(duì)CNT紗線的扭電能影響比較分散。通過(guò)CNT紗線的扭電能數(shù)據(jù)得到的Q損傷指數(shù)能準(zhǔn)確描述損傷特性。

3)該研究為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)提供了新的技術(shù)手段，可簡(jiǎn)化航天試件結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的體系設(shè)計(jì)，基于CNT紗線扭電能計(jì)算的試件內(nèi)部損傷具有很高精度，可達(dá)到0.002 mm。