[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

说明书

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，包括由金属基体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和压电陶瓷包覆层构成，碳芯位于连续碳芯压电纤维中心；连续碳芯压电纤维交联网络编织体层中每根碳芯作为定位电极端，与电荷放大器连接；金属基体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；通过实时测量连续碳芯压电纤维增强金属基复合材料的压电信号和电阻信号，实现结构部件的原位检测。

技术领域

本发明涉及金属基复合材料及自感知技术领域，具体涉及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。

背景技术

航空技术对保障国家安全、支撑经济发展具有重要作用，被誉为经济发展的助推器和国家军事安全战略的赋能器，是国际科技竞争的前沿领域。随着人类对天空的深入探索，如何构建具有更加快速、轻便、经济、可靠、耐用等特性的飞行器已经成为各国政府机构和科研人员持续关注的热点问题。构建新一代航空飞行器面临诸多挑战，首当其冲的便是飞行安全。飞行器等大型复杂结构在复杂的服役环境中由于突发的外部因素作用会对结构造成许多未知的损伤，要提高飞行安全性，最主要的方法是建立快速有效的结构健康监测系统，减少飞行器损伤检测时间，精确获得相应损伤位置和程度，缩短修复时间，有效提升运载能力，为未来天空任务的执行提供高度安全性。

金属基复合材料由于其优良的综合性能，特别是其优异结构可设计性、轻质高强、结构功能一体化等显著特点，是航空航天、国防军工、武器装备等领域的主要结构材料，然而受到复合材料内部结构复杂性和制造缺陷的影响，复合材料的服役性能一直是制约结构安全性和经济性的一大瓶颈。复合材料的结构损伤类型复杂多样，内部损伤隐蔽性强，损伤不能及时发现和采取措施阻止损伤的积累，便会给飞行器的工作带来严重的潜在不安全性，甚至飞行器的突然失效。因此，飞行器急迫需要快速实时的结构健康监测系统，使微小损伤及时发现并及时修复，阻止损伤的积累，从而保证结构的可靠运行。到目前为止，复合材料的自感知机理多基于力阻特性，基质多集中于聚合物、水泥以及陶瓷，而关于金属基复合材料的自感知特性研究未见报道。电阻阻值与应力、应变、损伤以及温度有关，这是由于碳纤维与聚合物或水泥基体相比导电性极高以及这些参数在微观层面上对纤维排列具有影响，电阻率随应变改变而变化的现象称为压阻效应，由于金属的高导电性，金属不具有压阻性。因此，基于电阻测量的自感应原理对于金属而言是无效的。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了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，通过实时测量连续碳芯压电纤维增强金属基复合材料的压电信号和电阻信号，实现结构部件的原位检测。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

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，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、弯曲等载荷时，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。

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，包括以下步骤：