[发明专利]损伤感测复合结构

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年10月19日提交的美国临时申请系列号61/253,021的优先权益，其全部内容通过该引用并入本文。

关于联邦资助研究或开发的声明

不适用。

技术领域

本发明涉及纤维材料，更具体地涉及复合材料中的纤维材料。

背景技术

在结构应用中使用的复合材料容易遭受内部损坏，其可导致灾难性故障。不使用专门设备难以识别复合结构中裂纹的开始与扩展(作为高应力、冲撞或疲劳的结果)。在识别复合材料完整性对于系统操作重要的各种应用中，开发监测复合结构的原位损伤的方法是有益的。本发明满足了该需要并也提供了相关优点。

发明内容

在一些方面，本文公开的实施方式涉及复合材料，其包括a)基体材料；和b)布置在至少部分基体材料中的并入碳纳米管(CNT)的纤维的第一单向阵列。

在一些方面，本文公开的实施方式涉及制品，其包括a)复合材料和b)布置在复合材料外围、用于发送和接收电荷的电极网络，复合材料包括i)基体材料；和ii)布置在至少部分基体材料中的并入碳纳米管(CNT)的纤维的第一单向阵列。

在一些方面，本文公开的实施方式涉及系统，其包括A)制品，制品包括i)复合材料和ii)布置在复合材料外围、用于发送和接收电荷的电极网络，复合材料具有a)基体材料；和b)布置在至少部分基体材料中的并入碳纳米管(CNT)的纤维的第一单向阵列；B)连接至电极网络、用于探测复合材料上电阻变化的感测电路；和C)向所述电极网络提供电流的电源。

在一些方面，本文公开的实施方式涉及方法，其包括1)提供系统，系统包括A)制品，所述制品包括i)复合材料和ii)布置在复合材料外围、用于发送和接收电荷的电极网络，复合材料包括基体材料、布置在至少部分基体材料中的并入碳纳米管(CNT)的纤维的第一单向阵列；B)连接至电极网络、用于探测复合材料上电阻变化的感测电路；和C)向电极网络提供电流的电源；2)使制品遭受负荷，该负荷产生选自应变、疲劳、损伤和裂纹的复合材料中状况；和3)监测状况的位置。

附图简述

图1A显示在具有并入CNT的纤维的未受力复合材料中的多个信号渗透通路。

图1B显示由于机械变形的应变引起的图1A的复合材料中渗透通路的减少。

图2A显示复合材料“表层(skin)”的示例性结构，其具有单向的并入CNT的纤维的4个堆叠复合材料层。中间两层的并入CNT的纤维的方向相对于外面两层90度放置。

图2B显示制造的原型“表层”，其具有显示在图2A中的层结构。并入CNT的纤维是玻璃纤维。该“表层”配备多个电极，其允许测量复合结构上的电阻变化。

图3A显示图2B原型的侧视图。

图3B显示图2B/3A原型的一层单向排列的并入CNT的纤维横截面的扫描电子显微照片。复合材料的并入CNT的纤维之间的空隙空间填充有环氧树脂基体材料。并入CNT的纤维是玻璃纤维。

图3C显示两个单个并入CNT的玻璃纤维附近交叉处的扫描电子显微照片。

图4显示单向的并入CNT的纤维板，其中纤维在箭头方向上排列。该板配备多个发射电极1A至6A和多个接收电极1B至6B。板中模拟为1/8英寸孔的损伤显示为电极对5A/5B附近的圆圈。绘制在板上的是观察到的沿着纤维长度测量的电阻增加。电极对5A/5B附近的损伤通过该电极对之间大的电阻增加指示。

图5A显示两个单个单向板(板层)结合在一起，彼此垂直取向，板之间有绝缘层。箭头指示纤维轴的方向。

图5B显示布置在图5A中结合板上的发射电极1A至12A和接收电极1B至12B的网络。

图6显示当在制造的具有图5A/B中指示结构的3英寸×3英寸板的中间钻9/64英寸孔时测量的电阻百分数增加。

图7显示当在制造的具有图5A/B中指示结构的3英寸×3英寸板的中间钻1/4英寸孔时测量的电阻百分数增加。

图8显示当在制造的具有图5A/B中指示结构的3英寸×3英寸板的中间钻21/64英寸孔时测量的电阻百分数增加。

图9显示当在中间钻21/64英寸孔并且从制造的具有图5A/B中指示结构的3英寸×3英寸板左上角钻第二孔0.75英寸×0.75英寸时测量的电阻百分数增加。