本發(fā)明涉及復(fù)合材料，尤其是涉及陶瓷壓電片傳感器用于復(fù)合材料生命周期實(shí)時(shí)監(jiān)測方法。

背景技術(shù)：

先進(jìn)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度高、性能可設(shè)計(jì)、易于整體成型等優(yōu)點(diǎn)，是輕質(zhì)高效結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理想材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、海洋潛艦、石油化工及土木建筑等領(lǐng)域的大型工程結(jié)構(gòu)。然而，由于設(shè)計(jì)、制造與檢測技術(shù)的限制，復(fù)合材料在大型結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的優(yōu)越性能還遠(yuǎn)沒有充分發(fā)揮，其中最主要的原因是缺少對成型工藝固化過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證。同時(shí)，復(fù)合材料易受沖擊損傷，而且缺陷大多目不可測，需要先進(jìn)健康監(jiān)測技術(shù)([1]colpof,humbertl,botsisj.characterisationofresidualstressesinasinglefibrecompositewithfbgsensor[j].compositesscienceandtechnology,2007,67(9):1830-1841)。因此，對復(fù)合材料固化過程、加工過程和使用過程進(jìn)行實(shí)時(shí)精確監(jiān)測，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、保障復(fù)合材料結(jié)構(gòu)安全性具有十分重要的意義。

陶瓷壓電片是可以實(shí)現(xiàn)正負(fù)壓電效應(yīng)的轉(zhuǎn)換裝置，既可以基于正壓電效應(yīng)對動(dòng)態(tài)壓力進(jìn)行監(jiān)測，又可以基于負(fù)壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超聲檢測和超聲導(dǎo)波監(jiān)測等技術(shù)。使用陶瓷壓電片為圓片形結(jié)構(gòu)，半徑為4mm，厚度為0.2mm。

所使用的用于初次封裝陶瓷壓電片的特殊材料，要求其具有熔點(diǎn)低、初始強(qiáng)度高特點(diǎn)，且是樹脂基體固化劑之一和改性材料之一，如聚己內(nèi)酯。

現(xiàn)階段用于復(fù)合材料固化監(jiān)測技術(shù)主要有超聲法、光纖法、介電法、阻抗法和熱學(xué)方法，用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)主要有超聲導(dǎo)波法、光纖法、阻抗法等。超聲法相比其他監(jiān)測方法，具有精度高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是使用永久集成在結(jié)構(gòu)表面或嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，是確定結(jié)構(gòu)完整性的革命性創(chuàng)新技術(shù)([2]crowleydm,wardc,potterk.astatusofacceptancecriteriaandprocessrequirementsinadvancedcompositesmanufacturing,andwhethertheyarefitforpurpose[r].saetechnicalpap-er.2013)，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、服役及維護(hù)的全壽命周期中都可以發(fā)揮重要的作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的復(fù)合材料成型和加工監(jiān)測缺失，無法進(jìn)行全壽命周期監(jiān)測的現(xiàn)象，同時(shí)針對現(xiàn)有復(fù)合材料成型監(jiān)測技術(shù)中操作復(fù)雜、精度不高、成本高等問題，提供陶瓷壓電片傳感器用于復(fù)合材料生命周期實(shí)時(shí)監(jiān)測方法。

本發(fā)明包括以下步驟：

1)采用可封裝陶瓷壓電片和特殊材料形成共固化傳感器；所述特殊材料采用聚己內(nèi)酯等中的一種；

2)將共固化傳感器預(yù)先固定于模具的型腔，共固化傳感器預(yù)留型腔導(dǎo)線槽并密封后固化；

3)在復(fù)合材料注入時(shí)，流動(dòng)過程產(chǎn)生壓力變化，陶瓷壓電片與共固化傳感器產(chǎn)生電信號，得到復(fù)合材料流動(dòng)前沿位置；

4)復(fù)合材料充滿型腔后進(jìn)行固化，根據(jù)超聲檢測方法，通過波速和幅值的變化實(shí)時(shí)監(jiān)測固化度，而固化后共固化傳感器將集成在復(fù)合材料表面，直接作為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

在步驟2)中，所述模具內(nèi)預(yù)留出共固化傳感器和導(dǎo)線槽，所述導(dǎo)線槽的深度與共固化傳感器的厚度最好相同；所述密封可采用相同材料進(jìn)行固定；所述模具可為金屬模具、復(fù)合材料模具、陶瓷材料模具、石英材料模具、水泥材料模具、石膏材料模具等中的一種；所述固化的溫度可為60～180℃，保持升溫速率均勻，升溫速率不超過10℃/min。所述模具內(nèi)槽在傳感器封裝后，應(yīng)保證模腔表面光滑平整，傳感器布置不影響產(chǎn)品表面質(zhì)量。

在步驟3)中，所述復(fù)合材料可采用纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料或晶須增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料等中的一種；所述復(fù)合材料的液體成型工藝可采用抽真空；所述流動(dòng)前沿位置是使用陶瓷壓電片的正壓電效應(yīng)來感應(yīng)樹脂流動(dòng)前沿。

在步驟4)中，所述超聲檢測方法的表征固化度時(shí)，可用波速vl＝2d/t一側(cè)有傳感器時(shí)和衰減α＝(1/d)20log(a0/a)表征固化度，其中d為板厚，t為時(shí)間，a0為發(fā)射信號幅值，a為接收信號幅值；用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測時(shí)，可以用于超聲導(dǎo)波技術(shù)或聲發(fā)射技術(shù)；所述超聲檢測方法，是將共固化傳感器布置在復(fù)合材料工件一側(cè)，陶瓷壓電片連接信號采集卡，即作發(fā)射也作接收。

本發(fā)明具有以下突出技術(shù)效果：

1、操作簡單：本發(fā)明采用特殊材料和陶瓷壓電片形成共固化組合傳感器，直接用特殊材料再次封裝進(jìn)模具內(nèi)槽即可；

2、傳感器不對復(fù)合材料性能造成影響：特殊材料是樹脂的固化劑和改性材料之一，如聚己內(nèi)酯熔點(diǎn)為60℃，工藝溫度超過60℃并且固化反應(yīng)是為放熱反應(yīng)，聚己內(nèi)酯能完全融入樹脂。

3、傳感器不對復(fù)合材料尺寸造成影響：采用不超過10℃/min的加熱速度，樹脂在達(dá)到特殊材料熔點(diǎn)時(shí)會(huì)部分固化，整體粘度增大，特殊材料用量很少，融化后可等同于局部固化劑，能確保傳感器固定在復(fù)合材料表面。

4、系統(tǒng)簡單：信號的接收和發(fā)射可以用一套系統(tǒng)來進(jìn)行，在全壽命周期監(jiān)測中都可僅使用陶瓷壓電來進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

5、本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造、服役及維護(hù)的全壽命周期監(jiān)測，陶瓷壓電片最后集成在復(fù)合材料表面形成結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是現(xiàn)在大型結(jié)構(gòu)、交通行業(yè)最新型的技術(shù)概念，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)合模型可預(yù)測壽命，并確保結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的共固化傳感器示意圖。

圖2是本發(fā)明的特殊材料和陶瓷壓電片共固化傳感器示意圖。

圖3是本發(fā)明的模具內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明的陶瓷壓電片和復(fù)合材料共固化后的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

如圖1～4所示。本發(fā)明實(shí)施例的具體步驟如下：

1)采用可封裝陶瓷壓電片3和特殊材料2形成共固化傳感器7；所述特殊材料2采用聚己內(nèi)酯等中的一種；

2)將共固化傳感器7預(yù)先固定于模具10的型腔6，共固化傳感器7預(yù)留型腔導(dǎo)線槽4并密封后固化；所述模具內(nèi)預(yù)留出共固化傳感器7和導(dǎo)線槽8，所述導(dǎo)線槽8的深度與共固化傳感器7的厚度最好相同；所述密封可采用相同材料進(jìn)行固定；所述模具10可為金屬模具、復(fù)合材料模具、陶瓷材料模具、石英材料模具、水泥材料模具、石膏材料模具等中的一種；所述固化的溫度可為60～180℃，保持升溫速率均勻，升溫速率不超過10℃/min。所述模具內(nèi)槽在傳感器封裝后，應(yīng)保證模腔表面光滑平整，傳感器布置不影響產(chǎn)品表面質(zhì)量。

3)在復(fù)合材料11注入時(shí)，流動(dòng)過程產(chǎn)生壓力變化，陶瓷壓電片3與共固化傳感器7產(chǎn)生電信號，得到復(fù)合材料11流動(dòng)前沿位置；所述復(fù)合材料可采用纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料或晶須增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料等中的一種；所述復(fù)合材料的液體成型工藝可采用抽真空；所述流動(dòng)前沿位置是使用陶瓷壓電片的正壓電效應(yīng)來感應(yīng)樹脂流動(dòng)前沿。

4)復(fù)合材料11充滿型腔6后進(jìn)行固化，根據(jù)超聲檢測方法，通過波速和幅值的變化實(shí)時(shí)監(jiān)測固化度，而固化后共固化傳感器7將集成在復(fù)合材料11表面，直接作為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。所述超聲檢測方法的表征固化度時(shí)，可用波速vl＝2d/t一側(cè)有傳感器時(shí)和衰減α＝(1/d)20log(a0/a)表征固化度，其中d為板厚，t為時(shí)間，a0為發(fā)射信號幅值，a為接收信號幅值；用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測時(shí)，可以用于超聲導(dǎo)波技術(shù)或聲發(fā)射技術(shù)；所述超聲檢測方法，是將共固化傳感器7布置在復(fù)合材料工件一側(cè)，陶瓷壓電片連接信號采集卡，即作發(fā)射也作接收。

提前制好特殊材料(如聚己內(nèi)酯)與陶瓷壓電片共固化傳感器，將傳感器預(yù)先固定于模具型腔共固化傳感器槽5和型腔導(dǎo)線槽4內(nèi)，槽深與共固化傳感器厚度一致，并預(yù)留型腔導(dǎo)線槽4，最后使用特殊材料進(jìn)行密封，要確定特殊材料已經(jīng)完全固化；按照復(fù)合材料液體成型工藝要求，在樹脂注入時(shí)，流動(dòng)過程會(huì)產(chǎn)生壓力變化，根據(jù)正壓電效應(yīng)，陶瓷壓電片共固化傳感器會(huì)產(chǎn)生電信號，得到樹脂流動(dòng)前沿位置；樹脂充滿型腔后進(jìn)行固化，根據(jù)超聲檢測原理，通過波速和幅值的變化來實(shí)時(shí)監(jiān)測固化度；陶瓷壓電片傳感器將集成在固化后的復(fù)合材料表面，與復(fù)合材料組成結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，可使用主動(dòng)式超聲導(dǎo)波監(jiān)測技術(shù)和被動(dòng)式聲發(fā)射技術(shù)對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)完整性及損傷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

在圖1中，標(biāo)記1為導(dǎo)線，9為密封槽。

下面以復(fù)合材料液體成型工藝對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明(特殊材料選用聚己內(nèi)酯)。

本發(fā)明的共固化傳感器示意圖如1所示，陶瓷壓電片的半徑為4mm，厚度為0.2mm。使用聚己內(nèi)酯對陶瓷壓電片整體進(jìn)行封裝，封裝后仍為圓片型，半徑為4.1mm，厚度為0.4mm。

本發(fā)明采取的復(fù)合材料生產(chǎn)工藝為液體成型工藝。模具形狀如圖2所示，所選模具外形尺寸為600mm×600mm×40mm，內(nèi)部型腔尺寸為400mm×400mm×3mm。以型腔內(nèi)布置4個(gè)陶瓷壓電片傳感器為例，先在模具型腔內(nèi)表面開四個(gè)半徑為4.1mm，厚度0.4mm的沉孔槽，孔肩半徑為4.2mm，深度為0.1mm。使用的導(dǎo)線為直徑0.05mm的漆包線，在模具內(nèi)開0.1mm長寬高的導(dǎo)線槽。然后將封裝傳感器和導(dǎo)線放入沉孔槽和導(dǎo)線槽，并用聚己內(nèi)酯再次封裝傳感器，去掉多余聚己內(nèi)酯，保證模具內(nèi)表面平整和聚己內(nèi)酯已完全固化。然后按照液體成型工藝，涂脫模劑，放400mm×400mm尺寸的碳纖維單向布，鋪放8層布，按[0/90/±45]s角度鋪放。最上面鋪放脫模布后抽取真空，借真空壓入樹脂，樹脂流經(jīng)傳感器時(shí)，會(huì)對聚己內(nèi)酯表面產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)壓力，最終傳遞到陶瓷壓電片，產(chǎn)生電信號，通過傳感器是否產(chǎn)生電信號來判斷樹脂是否流經(jīng)傳感區(qū)域。待樹脂充滿型腔后，將模具放入恒溫箱中加熱至80℃內(nèi)30min，等待固化完成，固化時(shí)，樹脂由液體變?yōu)楣腆w，模量和泊松比等力學(xué)性能從零開始上升，并且還伴隨交聯(lián)、放熱等物理化學(xué)反應(yīng)，會(huì)對超聲波信號的波速和幅值產(chǎn)生影響，通過超聲信號的波速vl＝2d/t和幅值α＝(1/d)20log(a0/a)變化來表征固化度，通過下式：

用式和來精確計(jì)計(jì)算固化度。式中ρ為樹脂密度，αus表示固化度，l表示樹脂存儲(chǔ)體積模量，l0表示初始體積模量(固化未完成時(shí))，lf表示最大存儲(chǔ)體積模量(固化完成時(shí))。

最后將模具取出，打開模具，將傳感器與成品組成的共固化產(chǎn)品取出，進(jìn)行表面簡單加工。形狀如圖3所示。陶瓷壓電片傳感器組成的傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)永久集成在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面，可以用于基于超聲導(dǎo)波技術(shù)的主動(dòng)式監(jiān)測和基于聲發(fā)射技術(shù)的被動(dòng)式監(jiān)測。從樹脂流動(dòng)前沿到后來的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，都可以在一套采集系統(tǒng)上完成數(shù)據(jù)采集。

綜上所述，本發(fā)明可以用于復(fù)合材料從生產(chǎn)到加工到使用整個(gè)生命周期監(jiān)測，且僅使用陶瓷壓電片傳感器就可以監(jiān)測整個(gè)過程，無需其他傳感系統(tǒng)。

本發(fā)明提供了一種陶瓷壓電片傳感器用于復(fù)合材料生命周期實(shí)時(shí)監(jiān)測的方法，主要步驟包括：將陶瓷壓電片正負(fù)極接好導(dǎo)線，先用特殊材料封裝陶瓷壓電片，該特殊材料應(yīng)不影響復(fù)合材料性能，并要求該材料具有熔點(diǎn)低、初始強(qiáng)度高等特點(diǎn)，且是樹脂基體的固化劑之一或改性材料之一，如聚己內(nèi)酯；將熔融狀態(tài)的特殊材料導(dǎo)入已經(jīng)準(zhǔn)備好的模具內(nèi)與陶瓷壓電片固化形成封裝傳感器；隨后將傳感器放入模具預(yù)留槽內(nèi)，使用相同材料將傳感器及其導(dǎo)線固定封裝；其余工藝流程按照復(fù)合材料液體成型工藝進(jìn)行，樹脂注入流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)壓力，傳遞到陶瓷壓電片會(huì)產(chǎn)生電信號；固化時(shí)材料力學(xué)性能隨時(shí)間增強(qiáng)，會(huì)對陶瓷壓電片產(chǎn)生的超聲波波速和幅值大小產(chǎn)生影響；固化成型后脫模取出工件和陶瓷壓電片共固化產(chǎn)品。本發(fā)明不僅實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測復(fù)合材料液體成型過程，而且最終由陶瓷壓電片組成的傳感網(wǎng)絡(luò)會(huì)共固化在復(fù)合材料表面，可以用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測技術(shù)，為復(fù)合材料從設(shè)計(jì)、制造、服役及維護(hù)的全壽命周期監(jiān)測提供技術(shù)支持。