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

摘要

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。

权利要求

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。

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

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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

[0004] 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。

[0005] 为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

[0006] 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。

[0007] 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。

[0008] 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：

[0009] 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；

[0010] 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；

[0011] 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，镁合金等金属结构材料；

[0012] 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℃；

[0013] 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。

[0014] 本发明优点及积极效果是：

[0015] 本发明采用连续碳芯压电纤维作为结构部件的传感器，碳芯和金属基体作为电极端；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。

附图说明

[0016] 图1为本发明连续碳芯压电纤维增强金属基复合材料结构示意图。

[0017] 图2为本发明连续碳芯压电纤维示意图。

[0018] 图3为本发明连续碳芯压电纤维编织体。

[0019] 图4为本发明实施例检测原理图。

具体实施方式

[0020] 下面将结合本发明的具体实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

[0021] 参照图1、图2、图3，一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。

[0022] 参照图4，当连续碳芯压电纤维增强金属基复合材料受重锤4冲击时，其对应位置上的纵向压电陶瓷包覆层21和横向压电陶瓷包覆层22的交点受形变产生压电效应；压电信
号通过定位电极端纵向碳芯31、横向碳芯32以及公共电极端金属基体1输出至电荷放大器，
各路放大信号通过数据采集卡，并在计算机上读取数据，压电效应产生的电压与形变大小
成正比，以此实现对损伤方位与大小的原位检测。

[0023] 当纵向压电陶瓷包覆层21和横向压电陶瓷包覆层22的交点形变过大时，压电陶瓷包覆层发生破裂，此时纵向碳芯31或横向碳芯32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。

[0024] 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：

[0025] 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；

[0026] 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；

[0027] 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，镁合金等金属结构材料；

[0028] 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℃；

[0029] 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。