[发明专利]一种复合材料制件结构非干涉监测冲击威胁的方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料功能化技术领域，涉及一种复合材料制件结构非干涉监测冲击威胁的方法。

背景技术

就叠层复合材料(复合材料层压板)的性能而言，冲击损伤阻抗与冲击损伤容限是目前已知的最重要的结构性能指标，这是因为在叠层复合材料受到意外冲击、特别是小尺寸近刚性异物低速冲击时，复合材料内部通常会出现分层损伤，从而严重降低其力学性能和结构的安全性与可靠性。对于这种分层损伤，现有的方法是必须通过复杂的无损监测才能发现，这种方法对于已在外场服役的复合材料制件的灵活性及便捷性差，因此，提高复合材料的冲击损伤阻抗与容限，发展结构受到冲击威胁的简便监测方法，提高结构的可靠性受到国内外高性能复合材料界的广泛关注。尤其在外场，人们很难对复合材料结构是否遭受了冲击、以及被冲击的位置和强度、特别是冲击事件对结构安全的后果做出及时的判断。

国内外利用光纤光栅传感器监测复合材料结构的应力、应变状态的技术统称为复合材料“结构健康监测”(Structure Health Monitoring，简称SHM)技术，国内外已有较多的参考专利。但是由于光栅光纤在几何尺寸及物性上与结构复合材料增强用纤维的巨大差异，埋入在高性能结构复合材料铺层里的光栅光纤会严重降低复合材料的结构性能，产生所谓“结构干涉”效应，因此，在结构性能分析上，埋入的光栅光纤通常被处理为“缺陷”。

为了解决这个问题，发明专利申报“一种可兼传感功能的编织预制复合材料填充带及其制备技术”(申报人：益小苏，安学锋，崔海超，刘刚，北京航空材料研究院，2010年)提出一种复合材料编织预制技术以及编织预制填充带的结构形状与尺寸的标准化设计，这种编织预制材料可以包裹光栅光纤进行保护，然后被填入复合材料，实现对复合材料结构的结构健康监测。

但该专利的特征是界定光栅光纤采用编织带的形式放入复合材料T型接头的双边或单边“三角区”，即复合材料结构非干涉区域的一个。而事实上，在复合材料设计过程中，结构非干涉区域不仅有以上专利中所涉及的“三角区”，还包括制件面板与桁条的衔接区、面板与腹板的衔接区、填充材料与承力材料的过渡区、预制镶嵌件与主结构的过渡区、厚度过渡填充区和非承力的自由边等多种形式，而将功能性光纤埋放进这些区域，亦在线监测复合材料制件在服役状态下遭受的异物低速冲击的威胁并进行定位，能实现复合材料的在线监测。

发明内容

本发明的目的是：提出一种复合材料制件结构非干涉监测冲击威胁的方法，该方法可在不影响复合材料制件的性能和功能的前提下，在复合材的结构非干涉区域埋入功能性的光栅光纤或编码光栅光纤，在线监测复合材料制件在服役状态下遭受的异物低速冲击的威胁并进行定位，从而警戒冲击给复合材料制件造成的可能的损伤和安全隐患，提高复合材料制件在外场使用的安全警戒水平以及损伤的实时可检性和结构可靠性。

本发明的技术方案是：非干涉监测冲击威胁方法的制备步骤如下：

(1)准备连续光纤，进行表面物理和/或化学改性处理；

(2)将处理后的光栅光纤同轴地混入填充用连续碳纤维束，或包裹进其它形式的连续碳纤维填充物里，得到干态混合纤维束；

(3)将干态混合纤维束浸渍液态树脂或胶液，制备成预浸的混合纤维束，预浸混合纤维束的树脂重量百分数为20％至50％；或在干态混合纤维束上粘附定型剂，定型剂的重量百分数为2％至20％；

(4)按复合材料制件的固有成型要求对结构非干涉区域进行填充，填充物替换为内含光栅光纤的纤维束，光纤所占的面积百分比为1％至60％；非干涉区域包括制件面板与桁条的衔接区、面板与腹板的衔接区、填充材料与承力材料的过渡区、预制镶嵌件与主结构的过渡区、厚度过渡填充区和非承力的自由边；填充材料包括蜂窝材料和泡沫材料；

(5)将暴露于制件外的光纤两端用金属材料或高分子材料进行保护；

(6)复合材料制件按原有工艺固化成型，得到在结构非干涉区域内埋入了连续光纤而可以监测复合材料结构冲击威胁的复合材料制件。

所述的埋入结构非干涉区域的感知功能性光纤是光栅光纤或编码光栅光纤。

本发明具有的优点和有益效果是：针对高性能复合材料层压板型材或制件最具威胁的异物低速冲击事件，不需了解复合材料结构的全部应力、应变状态而聚焦于监测制件是否遭受了冲击及冲击发生的位置和冲击能量的大小，巧妙地将动态传感光栅光纤或编码光栅光纤埋入结构非干涉的衔接区和过渡区，赋予原先无知觉的关键复合材料制件以冲击感知功能，提升了关键产品的冲击警戒水平和技术价值，实现关键复合材料产品的结构-功能一体化。