专利名称：一种建立碳纤维增强树脂基复合材料损伤自诊断系统的方法
技术领域：
本发明涉及一种建立碳纤维增强树脂基复合材料损伤自诊断系统的方法。
背景技术：
对智能材料与结构的研究起源于20世纪80年代的航空航天界，具有自诊断功能的复合材料也是一种智能材料。智能复合材料系统主要由复合材料、感应元件、信息处理器组成。复合材料主要作用是承载；感应元件的主要作用是感知材料内部或外部状况的变化，并将其转换为相应的信号；信息处理器是核心部分，它对感应元件输出信号进行处理，从而对复合材料状况进行判断。
碳纤维增强树脂基复合材料具有比强度和比刚度高、可设计性强、抗疲劳性能好、电磁性能优异、耐腐蚀性能好、容易整体成型等优点，在航空航天、交通运输、建筑工业、文化体育等领域有广泛的应用。由于复合材料大多是采用层叠工艺制成，是一种非匀质材料，材料的层间剪切强度较低，对外力作用尤其是冲击作用比较敏感。因此，复合材料在生产和使用过程中，受到一定的外力作用时，容易产生内部分层损伤，而且这种损伤在材料表面很难检测出来，是复合材料结构安全使用的隐患。
随着对复合材料使用安全性的要求越来越高，人们希望复合材料具备反映其自身状况的功能，并起到安全预警的作用，能够对材料作出修补或更换的判断，在某些应用领域如航空航天、建筑工业，这种功能尤为重要。
为了使复合材料能够自检测其内部损伤，目前主要采用的方法是在复合材料内部埋设电阻丝、光纤、压电材料等作为感应元件，并通过感应复合材料在外力作用下某些参数如电阻、光强的变化来反映复合材料状况的变化。这种方法工艺较复杂，而且添加的感应元件对复合材料力学性能有影响。另外，有人利用碳纤维导电的特性，以短切碳纤维毡作为机敏层叠加在玻璃纤维增强的复合材料上研究自诊断的复合材料，这种方法对机敏层之外的复合材料损伤诊断准确性有待提高。上述这些方法都处在材料性能基础研究阶段，而且没有结合复合材料损伤检测技术确定复合材料中是否存在损伤，因为感应元件所感应的参数变化并不一定表示复合材料中存在损伤。目前的这些研究方法都没有建立复合材料损伤自诊断系统，也不能通过计算机图形直观地反映材料状况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种建立碳纤维增强树脂基复合材料损伤自诊断系统的方法，碳纤维增强树脂基复合材料损伤自诊断系统由以碳纤维为增强材料、聚合物树脂为基体材料的复合材料、电阻测量仪暴、计算机及软件程序等部分组成。
本发明是这样来实现的，其特征是方法步骤为
(1) 通过电阻测量仪测量不同类型的复合材料在拉伸、冲击、弯曲外力作用前后的电阻值，建立复合材料应力一电阻数据库，利用超声扫描方法检测复合材料损伤，确立损伤一电阻变化的对应关系；
(2) 计算机对复合材料电阻变化进行分析、处理，实时诊断复合材料中是否存在损伤，并自动生成复合材料状况示意图。
本发明所述的复合材料是针对以碳纤维为增强材料、聚合物树脂为基体材料的复合材料，复合材料的不同层面上布设多个微小的铜片电极点，以复合材料下表面某一电极点为固定电极点，分别测量复合材料上表面不同电极与固定
电极点间外力作用前后的电阻值，并且以4个电极点所围成的最小的封闭区域
作为复合材料损伤自诊断的最小区域。当复合材料受到外力作用时，离外力作用点越近的电极点，其电阻变化越大。本发明所述的碳纤维为连续碳纤维、短切碳纤维、碳纤维毡或碳纤维布。本发明所述的聚合物树脂包含热塑性树脂或热固性树脂。本发明所述的热塑性树脂为聚丙烯、聚苯乙烯或聚氯乙烯；热固性树脂为
不饱和聚酯树脂、环氧树脂或酚醛树脂。
本发明的优点是:利用复合材料的导电特性，将复合材料作为其本身力学、电学性能的感应元件，根据在外力作用前后由4个电极点所围成的最小的封闭区域复合材料电阻的变化，通过计算机软件程序对该区域材料状况作出实时判断，并且能够自动生成复合材料状况示意图，达到复合材料损伤自诊断目的。该系统具有实时监测、诊断准确、直观明了的特点。
图1为本发明的复合材料自诊断系统图。
在图中，1、计算机2、电阻测量仪3、复合材料
具体实施例方式
如图1所示，本发明是这样来实现的，方法步骤为(1)复合材料3采用
商品化(G803/5224)碳纤维布/环氧树脂预浸料为原料，按照经向进行铺层(8层)，并在l、 2层间按矩阵等距离(间距为60mm)布设微小铜片电极(直径为6mm，厚度为0.2mm，电极一半位置露在材料表面)，然后放入热压机固化成型，制备复合材料板材，板材厚度约为2.0mm，碳纤维体积含量约为70%。去掉毛边、飞刺，将板材切割成长f宽为200mmM50mm的试样，用细砂纸将各铜片电极表面打磨，并用锡焊焊接导线，连接电阻测量仪2和计算机1，通过电阻测量仪2测量复合材料在拉伸、冲击、弯曲外力作用前后的电阻值，建立复合材料应力一电阻数据库，利用超声扫描方法检测复合材料损伤，确立损伤一电阻变化的对应关系；(2)计算机1对复合材料电阻变化进行分析、处理，实时诊断复合材料中是否存在损伤，并自动生成复合材料状况示意图。
权利要求
1、一种建立碳纤维增强树脂基复合材料损伤自诊断系统的方法，其特征是方法步骤为(1)通过电阻测量仪测量不同类型的复合材料在拉伸、冲击、弯曲外力作用前后的电阻值，建立复合材料应力-电阻数据库，利用超声扫描方法检测复合材料损伤，确立损伤-电阻变化的对应关系；(2)计算机对复合材料电阻变化进行分析、处理，实时诊断复合材料中是否存在损伤，并自动生成复合材料状况示意图。
2、 根据权利要求1所述的一种建立碳纤维增强树脂基复合材料损伤自诊 断系统的方法，其特征是所述的复合材料是针对以碳纤维为增强材料、聚合物 树脂为基体材料的复合材料，复合材料的不同层面上布设多个微小的铜片电极 点，以复合材料下表面某一电极点为固定电极点，分别测量复合材料上表面不 同电极与固定电极点间外力作用前后的电阻值，并且以4个电极点所围成的最 小的封闭区域作为复合材料损伤自诊断的最小区域。当复合材料受到外力作用 时，离外力作用点越近的电极点，其电阻变化越大。
3、 根据权利要求2所述的一种建立碳纤维增强树脂基复合材料损伤自诊 断系统的方法，其特征是所述的碳纤维为连续碳纤维、短切碳纤维、碳纤维毡 或碳纤维布。
4、 根据权利要求2所述的一种建立碳纤维增强树脂基复合材料损伤自诊 断系统的方法，其特征是所述的聚合物树脂包含热塑性树脂或热固性树脂。
5、 根据权利要求3、 4所述的一种建立碳纤维增强树脂基复合材料损伤自诊断系统的方法，其特征是所述的热塑性树脂为聚丙烯、聚苯乙烯或聚氯乙烯; 热固性树脂为不饱和聚酯树脂、环氧树脂或酚醛树脂。
全文摘要
一种建立碳纤维增强树脂基复合材料损伤自诊断系统的方法，其特征是方法步骤为(1)通过电阻测量仪测量不同类型的复合材料在拉伸、冲击、弯曲外力作用前后的电阻值，建立复合材料应力—电阻数据库，利用超声扫描方法检测复合材料损伤，确立损伤—电阻变化的对应关系；(2)计算机对复合材料电阻变化进行分析、处理，实时诊断复合材料中是否存在损伤，并自动生成复合材料状况示意图。本发明的优点是利用复合材料的导电特性，将复合材料作为其本身力学、电学性能的感应元件，达到复合材料损伤自诊断目的。该系统具有实时监测、诊断准确、直观明了的特点。
文档编号G01N3/08GK101551350SQ200910115369
公开日2009年10月7日 申请日期2009年5月18日 优先权日2009年5月18日
发明者张恒锋, 权红英, 薇 李, 李志鹏, 杨楠楠, 王高潮, 谢小林, 黄领才 申请人:南昌航空大学;哈尔滨飞机工业集团有限责任公司