[发明专利]一种基于连续碳芯压电纤维的金属基复合材料自感知特性检测系统及方法

权利要求书

1.一种基于连续碳芯压电纤维的金属基复合材料自感知特性检测系统，其特征在于：包括由金属基体(1)以及连续碳芯压电纤维交联网络编织体层构成的连续碳芯压电纤维的金属基复合材料，连续碳芯压电纤维由碳芯(3)和压电陶瓷包覆层(2)构成，碳芯(3)位于连续碳芯压电纤维中心；所述连续碳芯压电纤维交联网络编织体层中每根碳芯(3)作为定位电极端，与电荷放大器连接；所述金属基体(1)作为公共电极端与电荷放大器另一端口连接；通过电荷放大器、数据采集卡在计算机上读取数据，实现对结构部件健康状态的实时监测；

当连续碳芯压电纤维增强金属基复合材料产生拉伸、冲击、弯曲载荷时，其对应位置上的横向和纵向连续碳芯压电纤维受形变产生压电效应，压电效应产生的电压与形变大小成正比，通过监测横向和纵向连续碳芯压电纤维产生的电压信号实现对损伤方位与大小的原位检测；当形变过大时，压电陶瓷包覆层(2)发生破裂，此时碳芯(3)与金属基体(1)直接导通，公共电极端与定位电极端的电阻为零，此时连续碳芯压电纤维增强金属基复合材料结构体发生严重的不可逆损伤。

2.基于权利要求1所述系统的一种基于连续碳芯压电纤维的金属基复合材料自感知特性检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)制备连续碳芯压电纤维：连续碳芯压电纤维由碳芯(3)和压电陶瓷包覆层(2)构成，碳芯(3)位于连续碳芯压电纤维中心；碳芯(3)采用多束碳纤维制成，直径为10～100μm；压电陶瓷包覆层(2)由耐高温压电陶瓷制成，采用锆钛酸铅(PZT)和钛酸钡(BaTiO₃)，压电陶瓷包覆层(2)厚度为200～2000μm；

2)将连续碳芯压电纤维编织为交联网络：连续碳芯压电纤维交联网络编织体由横向连续碳芯压电纤维和纵向连续碳芯压电纤维交错编织而成；

3)制备连续碳芯压电纤维增强金属基复合材料结构件：将连续碳芯压电纤维交联网络编织体和金属基体(1)采用3D打印的方式制造成连续碳芯压电纤维增强金属基复合材料结构件；金属基体(1)采用钢，铝合金，钛合金，镁合金的金属结构材料；

4)金属基体(1)作为公共电极端，碳芯(3)作为定位电极端，对压电陶瓷包覆层(2)进行极化，极化电压为直流电压2000V/mm；极化温度为100～180℃；

5)将金属基体(1)作为公共电极端，每根碳芯(3)作为定位电极端接电荷放大器，各路放大电压接数据采集卡，在计算机上读取数据，实现对结构部件健康状态的原位监测。