[发明专利]基于光纤多参量传感自监测和微胶囊自修复的复合材料

说明书

技术领域

本发明属信息科学和材料科学交叉技术领域，特别是涉及一种基于光纤多参量传感自监测和微胶囊自修复的复合材料，对于航空航天、建筑、军工、国防等需要先进复合材料的领域具有重要意义。

背景技术

聚合物基智能复合材料由于具有一定的智能性、高强度、抗蠕变、耐腐蚀、工艺性能良好、适用于各种成型方法等许多优势，而广泛用于航空航天、交通运输、机械制造、建筑及其他工业中。在该类材料的制备过程中和材料构件的使用过程中，温度和应变是需要在线监测的重要参量。因此，聚合物基智能复合材料需要先进的传感技术。由于可实现埋入式无损测量，并具有抗电磁干扰、灵敏度高、可测参量广泛、适于恶劣与特殊环境的要求等许多优势，光纤传感技术已成为智能材料领域的核心和关键技术之一，用于温度、应变等重要参量的实时、动态测量，对于复合材料制备过程工艺控制、材料构件使用过程健康状态监测等许多方面具有不可替代的作用。基于光纤传感的智能复合材料一直是该领域国内外的发展重点。另一方面，聚合物基复合材料在使用过程中受到外部条件如温度、冲击、电磁等因素的影响，内部易出现微裂纹，且微裂纹通常产生在基体深处，传统技术难于检测和修复。微裂纹的出现和扩展将引起材料整体性能下降，导致构件过早失效，最终导致材料构件破坏。微裂纹是复合材料设备主要的安全隐患，可能带来灾难性的后果。采用自修复技术对复合材料进行修复是一种理想的材料损伤修复技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有自诊断、自监测和自修复等功能的高智能性聚合物基复合材料。从制备开始到全部使用过程(包括自修复后)，可实现材料的温度和应变等重要状态参量的自监测、材料微裂纹的自修复、修复后材料力学性能的自监测。其提高了材料及其构件的智能性、安全性及可靠性，这些功能对于提高材料的综合智能性、延长材料构件使用寿命具有重要意义。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于光纤多参量传感自监测和微胶囊自修复的复合材料，包括聚合物材料基体，宽带光源，长周期光纤光栅，分束器，布喇格光纤光栅，包含所有光电二极管的光电转换模块，数据采集卡，计算机，储有修复剂的微胶囊，分散于材料基体中的固化剂，其特征在于：所述宽带光源的输出光进入长周期光纤光栅，长周期光纤光栅的透射光经分束器进入第5至第13布喇格光纤光栅，各个布喇格光纤光栅的透射光进入相应的光电转换二极管，包含所有光电二极管的光电转换模块输出的模拟电信号被数据采集卡采集转换为数字电信号后被计算机处理并显示；储有修复剂的微胶囊按占材料总质量的1.5％的质量百分比被分散掺入聚合物材料基体中，当材料在使用过程中出现微裂纹时，利用材料内胶囊的自感知及裂纹尖端的应力集中作激励，微胶囊自动破裂并释放修复剂，在基体中的固化剂的作用下发生聚合反应，粘接裂纹表面，对微裂纹进行修复。利用环氧树脂为中空纤维壁材，利用液体状环氧树脂为修复剂，利用石英光纤光栅作传感元件，以使微胶囊的断裂形变与常用复合材料基体(环氧树脂)的断裂形变相匹配，并实现当材料基体出现微裂纹时，微胶囊能迅速断裂，而光纤光栅不断裂、不变形。因此光纤光栅可监测全部使用过程中(包括出现裂纹自修复后)材料的健康状态。

所述的长周期光纤光栅经过温度补偿封装，被用作传感光栅的信号解调元件，第6至第13光纤布喇格光栅作为传感元件；所述的长周期光纤光栅是借助高频CO₂激光器制作成的，所述的第6至第13光纤布喇格光栅为普通的光纤布喇格光栅并被埋入聚合物材料中，而其中的第5光纤布喇格光栅为信号参考用，其输出信号用来消除由于光源功率波动而引起的测量误差。

所述的第5至第13布喇格光栅的布喇格中心波长与长周期光纤光栅的主损耗峰值波长匹配。

有益效果

(1)本发明实现的光纤多参量传感自监测和微胶囊自修复的高智能性复合材料，当材料在使用过程中出现微小裂纹时，利用材料内胶囊的自感知以及裂纹尖端的应力集中作激励，微胶囊可自动破裂并释放修复剂，在基体中的固化剂的作用下发生聚合反应，粘接裂纹表面，对微裂纹进行修复。这有效阻止了微裂纹的继续扩展，复合材料的使用寿命被大大提高。

(2)本发明利用埋入材料中的FBG作敏感元件，实现温度、应变等参量的实时测量，对材料制备过程工艺控制、使用过程中(包括自修复后)构件健康状态监测等具有重要意义。因敏感元件FBG为并联排布，其个数不受光源带宽的限制，原理上可在材料中埋植无限多个FBG，实现全光纤型分布式、多个参量同时传感测量。