專利名稱：一種復合材料制件結構非干涉監測沖擊威脅的方法
技術領域：
本發明屬于復合材料功能化技術領域，涉及一種復合材料制件結構非干涉監測沖擊威脅的方法。
背景技術：
就疊層復合材料(復合材料層壓板)的性能而言，沖擊損傷阻抗與沖擊損傷容限是目前已知的最重要的結構性能指標，這是因為在疊層復合材料受到意外沖擊、特別是小尺寸近剛性異物低速沖擊時，復合材料內部通常會出現分層損傷，從而嚴重降低其力學性能和結構的安全性與可靠性。對于這種分層損傷，現有的方法是必須通過復雜的無損監測才能發現，這種方法對于已在外場服役的復合材料制件的靈活性及便捷性差，因此，提高復合材料的沖擊損傷阻抗與容限，發展結構受到沖擊威脅的簡便監測方法，提高結構的可靠性受到國內外高性能復合材料界的廣泛關注。尤其在外場，人們很難對復合材料結構是否遭受了沖擊、以及被沖擊的位置和強度、特別是沖擊事件對結構安全的后果做出及時的判斷。國內外利用光纖光柵傳感器監測復合材料結構的應力、應變狀態的技術統稱為復合材料“結構健康監測”(Structure Health Monitoring，簡稱SHM)技術，國內外已有較多的參考專利。但是由于光柵光纖在幾何尺寸及物性上與結構復合材料增強用纖維的巨大差異，埋入在高性能結構復合材料鋪層里的光柵光纖會嚴重降低復合材料的結構性能，產生所謂“結構干涉”效應，因此，在結構性能分析上，埋入的光柵光纖通常被處理為“缺陷”。為了解決這個問題，發明專利申報“一種可兼傳感功能的編織預制復合材料填充帶及其制備技術”(申報人益小蘇，安學鋒，崔海超，劉剛，北京航空材料研究院，2010年) 提出一種復合材料編織預制技術以及編織預制填充帶的結構形狀與尺寸的標準化設計，這種編織預制材料可以包裹光柵光纖進行保護，然后被填入復合材料，實現對復合材料結構的結構健康監測。但該專利的特征是界定光柵光纖采用編織帶的形式放入復合材料T型接頭的雙邊或單邊“三角區”，即復合材料結構非干涉區域的一個。而事實上，在復合材料設計過程中，結構非干涉區域不僅有以上專利中所涉及的“三角區”，還包括制件面板與桁條的銜接區、面板與腹板的銜接區、填充材料與承力材料的過渡區、預制鑲嵌件與主結構的過渡區、 厚度過渡填充區和非承力的自由邊等多種形式，而將功能性光纖埋放進這些區域，亦在線監測復合材料制件在服役狀態下遭受的異物低速沖擊的威脅并進行定位，能實現復合材料的在線監測。

發明內容
本發明的目的是提出一種復合材料制件結構非干涉監測沖擊威脅的方法，該方法可在不影響復合材料制件的性能和功能的前提下，在復合材的結構非干涉區域埋入功能性的光柵光纖或編碼光柵光纖，在線監測復合材料制件在服役狀態下遭受的異物低速沖擊的威脅并進行定位，從而警戒沖擊給復合材料制件造成的可能的損傷和安全隱患，提高復合材料制件在外場使用的安全警戒水平以及損傷的實時可檢性和結構可靠性。本發明的技術方案是非干涉監測沖擊威脅方法的制備步驟如下(1)準備連續光纖，進行表面物理和/或化學改性處理；(2)將處理后的光柵光纖同軸地混入填充用連續碳纖維束，或包裹進其它形式的連續碳纖維填充物里，得到干態混合纖維束；(3)將干態混合纖維束浸漬液態樹脂或膠液，制備成預浸的混合纖維束，預浸混合纖維束的樹脂重量百分數為20%至50% ；或在干態混合纖維束上粘附定型劑，定型劑的重量百分數為2%至20% ；(4)按復合材料制件的固有成型要求對結構非干涉區域進行填充，填充物替換為內含光柵光纖的纖維束，光纖所占的面積百分比為至60%;非干涉區域包括制件面板與桁條的銜接區、面板與腹板的銜接區、填充材料與承力材料的過渡區、預制鑲嵌件與主結構的過渡區、厚度過渡填充區和非承力的自由邊；填充材料包括蜂窩材料和泡沫材料；(5)將暴露于制件外的光纖兩端用金屬材料或高分子材料進行保護；(6)復合材料制件按原有工藝固化成型，得到在結構非干涉區域內埋入了連續光纖而可以監測復合材料結構沖擊威脅的復合材料制件。所述的埋入結構非干涉區域的感知功能性光纖是光柵光纖或編碼光柵光纖。本發明具有的優點和有益效果是針對高性能復合材料層壓板型材或制件最具威脅的異物低速沖擊事件，不需了解復合材料結構的全部應力、應變狀態而聚焦于監測制件是否遭受了沖擊及沖擊發生的位置和沖擊能量的大小，巧妙地將動態傳感光柵光纖或編碼光柵光纖埋入結構非干涉的銜接區和過渡區，賦予原先無知覺的關鍵復合材料制件以沖擊感知功能，提升了關鍵產品的沖擊警戒水平和技術價值，實現關鍵復合材料產品的結構-功能一體化。在航空航天結構用復合材料中，結構非干涉的銜接區和過渡區普遍存在。如大量碳纖維復合材料結構件，它們可以歸類并被抽象為一些加墻或加筋或加肋或加帽或以上四種加強形式與面板的組合，這些組合一般都會存在一個或多個銜接區。再如，為了減輕結構重量優化涉及，需要使用一些諸如蜂窩和泡沫的填充材料，而這些填充材料與承力組件間也有過渡區。再如，為了實現復合材料制件與某些金屬結構的連接，或賦予復合材料某種特定的功能，需要使用預制的鑲嵌件，而這些預制的鑲嵌件與主結構制件也有過渡區。還有為了實現復合材料構件的等強度設計，避免應力集中，會采用厚度過渡的設計，而這種設計也存在過渡區。除此之外，還有一些為了保證結構完整性而設計的非承力或承力極小的自由邊。以上所提到的銜接區和過渡區，其部分或全部其實是對結構承力貢獻很小，這種過渡區可被認定為結構非干涉的銜接區或過渡區。從制備工藝上講，這些結構非干涉的銜接區和過渡區一般采用與主體結構所用材料相似的材料進行填充處理。本發明的出發點即利用這種結構非干涉的填充處理。
具體實施例方式下面對本發明做進一步詳細說明。本發明一種復合材料制件結構非干涉監測沖擊威脅的方法，(1)準備連續光纖，進行表面物理和/或化學改性處理；(2)將處理后的光柵光纖同軸地混入填充用連續碳纖維束，或包裹進其它形式的連續碳纖維填充物里，得到干態混合纖維束；(3)將干態混合纖維束浸漬液態樹脂或膠液，制備成預浸的混合纖維束，預浸混合纖維束的樹脂重量百分數為20%至50% ；或在干態混合纖維束上粘附定型劑，定型劑的重量百分數為2%至20% ；(4)按復合材料制件的固有成型要求對結構非干涉區域進行填充，填充物替換為內含光柵光纖的纖維束，光纖所占的面積百分比為至60%;非干涉區域包括制件面板與桁條的銜接區、面板與腹板的銜接區、填充材料與承力材料的過渡區、預制鑲嵌件與主結構的過渡區、厚度過渡填充區和非承力的自由邊；填充材料包括蜂窩材料和泡沫材料；(5)將暴露于制件外的光纖兩端用金屬材料或高分子材料進行保護；(6)復合材料制件按原有工藝固化成型，得到在結構非干涉區域內埋入了連續光纖而可以監測復合材料結構沖擊威脅的復合材料制件。該發明通過在復合材料制件結構非干涉的過渡區或銜接區埋入功能化的光柵光纖或編碼光柵光纖，建立合適的界面結合，使復合材料制件在遭受沖擊時，能夠將沖擊波信號傳遞給光柵光纖傳感器，從而使原先“無知覺”的復合材料制件附加了沖擊威脅感知和監測功能。視復合材料結構的不同，填充埋入在結構非干涉的過渡區或銜接區內的光纖的光柵密度可調，從而可以實現沖擊事件的定位和沖擊能量的標定與評估。下面通過實施例對本發明做進一步詳細說明。實施例1 在CCF300/5228A熱壓罐二次膠接成型的加筋面板的筋條與底板銜接區埋入光柵光纖，實現面板的沖擊威脅感知功能。其具體步驟為(1)選取五根直徑為100 μ m的光柵光纖，光柵的柵距為100mm，將其浸泡在丙酮中 4h，去除殘留在光柵光纖表面的污染物后并在真空烘箱中80°C處理待用；(2)將待用的五根光柵光纖拉直后卷入CCF300/5228A預浸料，形成加筋面填充區的填充料，填充料的理論纖維體積份數為(60士幻％，同時在外露的光纖上添加內腔直徑大于150 μ m的聚四氟乙烯保護套；(3)將O)中的填充料與加強筋一次固化后采用SY-14高溫膠膜二次膠接后即形成具有沖擊威脅感知功能加筋面板；(4)去除光纖光柵的聚四氟乙烯保護套，將外露的光柵光纖與調制解調器進行焊接，并經沖擊測試，該面板可以監測到沖擊能量大于30J的沖擊事件。實施例2 在T700/5228E共固化成型的加帽型壁板的非對稱銜接區埋入光柵光纖，實現壁板的沖擊威脅感知功能。其具體步驟為(1)選取六根直徑為125 μ m的光柵光纖，光柵的柵距為85mm，將其浸泡在丙酮中 4h，去除殘留在光柵光纖表面的污染物后并在真空烘箱中80°C處理待用；(2)將待用的六根光柵光纖拉直后采用專用模具卷入T700/5228E預浸料，形成加筋面填充區的填充料，填充料的理論纖維體積份數為(60士幻％，同時在外露的光纖上添加內腔直徑大于200 μ m的聚四氟乙烯保護套；
(3)將O)中的填充料與帽型加強筋及面板經120°C /60min預固化后進行組裝， 在模具保證下然后經180°C /120min共固化，形成具有沖擊威脅感知功能加帽型筋壁板；(4)去除光纖光柵的聚四氟乙烯保護套，將外露的光柵光纖與調制解調器進行焊接，并經沖擊測試，該壁板的加筋背面可以監測到沖擊能量大于25J的沖擊事件，加筋面可監測到沖擊能量大于30J的沖擊事件。實施例3 在T800/5228A共膠結成型的組合加筋壁板的非對稱及對稱銜接區埋入光柵光纖，實現壁板的沖擊威脅感知功能。其具體步驟為(1)選取三根直徑為100 μ m的光柵光纖，光柵的柵距為70mm，將其浸泡在丙酮中 4h，去除殘留在光柵光纖表面的污染物后并在真空烘箱中80°C處理待用；(2)將三根待用的光柵光纖拉直后采用專用模具卷入T800/5228A預浸料，形成L 形長桁及T形第2和第3墻的填充區的填充料，填充料的理論纖維體積份數為(60士3) %， 同時在外露的光纖上添加內腔直徑大于150 μ m的聚四氟乙烯保護套；(3)將O)中的填充料與L形長桁及T形第2和第3墻經120°C /60min預固化后再與未預固化的面板進行組裝，在模具保證下然后經180°C /120min共固化，形成具有沖擊威脅感知功能的組合加強壁板；(4)去除光纖光柵的聚四氟乙烯保護套，將外露的光柵光纖與調制解調器進行焊接，并經沖擊測試，該壁板的加筋背面可以監測到沖擊能量大于30J的沖擊事件，加筋面可監測到沖擊能量大于30J的沖擊事件，且可以分辨沖擊的位置。實施例4 在U3160/6421RTM成型工字梁的過渡區埋入光柵光纖，實現工字梁的沖擊威脅感知功能。其具體步驟為(1)選取兩根直徑為100 μ m的光柵光纖，光柵的柵距為100mm，將其浸泡在丙酮中 4h后，利用環氧基硅烷偶聯劑KH-560的丙酮溶液(25% wt)對其進行表面處理，在硅烷偶聯劑溶液中浸泡時間為池，再在真空烘箱中80°C處理池待用；(2)在兩根待用光纖光柵的表面涂覆與6421樹脂匹配的定型劑EST-M1，并與已經涂覆了定型劑的U3160織物進行熱粘合，形成過渡區填充物，填充物的理論纖維體積份數為(55士5) % ；同時在外露的光纖上添加內腔直徑大于150 μ m的銅護套；(3)將O)中的填充料與工字梁的上下緣條及腹板的預成型體在模具的輔助下組合成預成型體，并進行RTM注射，按6421樹脂的預定固化工藝進行固化獲得具有沖擊威脅感知功能的RTM工字梁；(4)去除光柵的銅保護套，將外露的光柵光纖與調制解調器進行焊接，并經沖擊測試，該工字梁可以監測到沖擊能量大于30J的沖擊事件，并可確定沖擊的位置距過渡區的距離。實施例5 在G0827/5284RTM成型變厚度工字梁的過渡區埋入光柵光纖，實現變厚度工字梁的沖擊威脅感知功能。其具體步驟為(1)選取直徑為ΙΟΟμπι的光柵光纖，光柵的柵距為工字梁變厚度的距離，即 50mm+80mm+100mm+100mm，將其浸泡在丙酮中4h后，利用環氧基硅烷偶聯劑KH-560的丙酮溶液(25% wt)對其進行表面處理，在硅烷偶聯劑溶液中浸泡時間為2h，再在真空烘箱中 80°C處理2h待用；(2)在待用光纖光柵的表面涂覆與5284樹脂匹配的定型劑ET_5^4，并與已經涂覆了定型劑的G0827織物進行熱粘合，形成過渡區填充物，填充物的理論纖維體積份數為 (55 士 5)% ；同時在外露的光纖上添加內腔直徑大于IlOym的銅護套；(3)將O)中的填充料與變厚度工字梁的上下緣條及腹板的預成型體在模具的輔助下組合成預成型體，并進行RTM注射，按5284樹脂的預定固化工藝進行固化獲得具有沖擊威脅感知功能的RTM工字梁；(4)去除光柵的銅保護套，將外露的光柵光纖與調制解調器進行焊接，并經沖擊測試，該工字梁可以監測到沖擊能量大于30J的中擊事件，并可確定沖擊的位置距過渡區的距離。實施例6 在G803/3^6RTM成型帶C形和工字形墻的多腔盒段的過渡區埋入光柵光纖，實現多腔盒段的沖擊威脅感知功能。其具體步驟為(1)選取直徑為ΙΟΟμπι的光柵光纖，光柵的柵距為工字梁變厚度的距離，即 50mm+80mm+100mm+100mm，將其浸泡在丙酮中4h后，利用環氧基硅烷偶聯劑KH-560的丙酮溶液(15% wt)對其進行表面處理，在硅烷偶聯劑溶液中浸泡時間為5h，再在真空烘箱中 80°C處理2h待用；(2)在待用光纖光柵的表面涂覆與3266樹脂匹配的定型劑EST-321，并采用編織的方法將光纖和Τ30(Κ3Κ纖維編織成截面與盒段對稱過渡區和非對稱過渡區相同的辮子， 形成過渡區填充物，填充物的理論纖維體積份數為(55士幻％ ；同時在外露的光纖上添加內腔直徑大于150 μ m的銅護套；(3)將O)中的填充料C形及工字形墻及上下面板預成型體在模具的輔助下組合成預成型體，并進行RTM注射，按3266樹脂的預定固化工藝進行固化獲得具有沖擊威脅感知功能的RTM多墻盒段；(4)去除光柵的銅保護套，將外露的光柵光纖與調制解調器進行焊接，并經沖擊測試，該工字梁可以監測到沖擊能量大于25J的沖擊事件，并可確定沖擊的位置距過渡區的距離。實施例7 在CF3031/5^4VARI成型泡沫夾芯壁板的過渡區埋入光柵光纖，實現泡沫夾芯壁板的沖擊威脅感知功能。其具體步驟為(1)選取八根直徑為125 μ m的光柵光纖，光柵的柵距為90mm+50mm+90mm，將其浸泡在丙酮中4h后，利用環氧基硅烷偶聯劑KH-560的丙酮溶液(25% wt)對其進行表面處理，在硅烷偶聯劑溶液中浸泡時間為池，再在真空烘箱中80°C處理池待用；(2)在待用光纖光柵的表面涂覆與5284樹脂匹配的定型劑ET_5^4，并與已經涂覆了定型劑的CF3031織物進行熱粘合，形成過渡區填充物，填充物的理論纖維體積份數為 (55士5) % ；同時在外露的光纖上添加內腔直徑大于110 μ m的聚四氟乙烯護套；(3)將O)中的填充料埋入夾芯泡沫與主結構的過渡區并形成整體預制體，進行 VARI吸注，按5284樹脂的預定固化工藝進行固化獲得具有沖擊威脅感知功能的VARI泡沫夾芯壁板； (4)去除光柵的銅保護套，將外露的光柵光纖與調制解調器進行焊接，并經沖擊測試，該工字梁可以監測到沖擊能量大于40J的沖擊事件，并可確定沖擊的位置距過渡區的距離。
權利要求
1.一種復合材料制件結構非干涉監測沖擊威脅的方法，其特征在于，制備的步驟如下(1)準備連續光纖，進行表面物理和/或化學改性處理；(2)將處理后的光柵光纖同軸地混入填充用連續碳纖維束，或包裹進其它形式的連續碳纖維填充物里，得到干態混合纖維束；(3)將干態混合纖維束浸漬液態樹脂或膠液，制備成預浸的混合纖維束，預浸混合纖維束的樹脂重量百分數為20%至50% ；或在干態混合纖維束上粘附定型劑，定型劑的重量百分數為2%至20% ；(4)按復合材料制件的固有成型要求對結構非干涉區域進行填充，填充物替換為內含光柵光纖的纖維束，光纖所占的面積百分比為至60%;非干涉區域包括制件面板與桁條的銜接區、面板與腹板的銜接區、填充材料與承力材料的過渡區、預制鑲嵌件與主結構的過渡區、厚度過渡填充區和非承力的自由邊；填充材料包括蜂窩材料和泡沫材料；(5)將暴露于制件外的光纖兩端用金屬材料或高分子材料進行保護；(6)復合材料制件按原有工藝固化成型，得到在結構非干涉區域內埋入了連續光纖而可以監測復合材料結構沖擊威脅的復合材料制件。
2.根據權利要求1所述的一種復合材料制件結構非干涉監測沖擊威脅的方法，其特征在于，埋入結構非干涉區域的感知功能性光纖是光柵光纖或編碼光柵光纖。
全文摘要
本發明屬于復合材料功能化技術領域，涉及一種復合材料制件結構非干涉監測沖擊威脅的方法。該方法在完全不影響復合材料結構性能的前提下，在復合材料制品的結構非干涉區域內埋入功能化的動態傳感光柵光纖，從而可以全壽命、低成本地在線監測復合材料型材或制品是否遭受沖擊，以及遭受沖擊的位置，提高此類復合材料或制品在關鍵應用場合的結構安全警戒水平，以及沖擊損傷的實時可檢性和結構可靠性。
文檔編號B29C70/02GK102555227SQ20111036215
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月15日 優先權日2011年11月15日
發明者劉剛, 安學鋒, 張明, 張連旺, 益小蘇 申請人:中國航空工業集團公司北京航空材料研究院