专利名称：一种纤维增强树脂基复合材料自诊断智能结构及作自诊断的方法
技术领域：
本发明涉及一种复合材料自诊断、自检测智能结构及实现方法，尤其涉及在复合材料结构层表面铺设导电纤维增强树脂基复合材料机敏层，通过在机敏层上布设电极，形成二维平面传感网络，动态监测电阻的变化，达到实时动态自诊断、自检测目的的方法。
背景技术：
20世纪80年代中期，人们提出了智能材料的概念。智能材料要求材料体系集感知、驱动和信息处理于一体，形成类似生物材料那样的具有智能属性，具备自感知、自诊断、自修复等功能。
自诊断智能复合材料结构是智能材料与结构研究的一个重要分支。自诊断智能材料与结构主要用于重要结构系统。对于重要的结构都有完整性的要求，人们期望材料内部的裂化和损伤以及表面的细微裂纹形成时，能自行检测；在形成重大事故或内部变异之前能够有效的预知和报警，即要求在使用过程中能对材料结构内部的情况进行损伤估计。例如对飞机等飞行器的安全要求极为严格，由于飞机等运载工具都在一定比例上使用了重量轻、强度高的复合材料，而复合材料在生产过程中由于其工艺上的不稳定性，内部会有缺陷，并且在承受冲击载荷后，材料表面即使是正常的，其内部也可能存在脱层、纤维断裂等损伤现象。如果能够尽早预报损伤的位置和程度，则可避免发生重大事故。
在复合材料的实际使用中，复合材料性能的监测与损伤诊断是检测的主要难题。自诊断要求在使用过程中能对材料内部的力学性能进行评估，具有实时在线监测的功能。目前在自诊断材料与结构中经常使用的传感元件有光导纤维、压电元件、电阻应变片等。将传感元件埋入复合材料中，利用传感网络对结构自身在损伤、疲劳、冲击等情况下测量出的信息进行识别、分析与处理，将结论送入监视或控制系统，从而有效地解决复合材料的强度监测，为安全、可靠地使用复合材料提供了定量的分析依据。但是，传感元件的加入破坏了材料本身的结构，对材料的性能有一些不良的影响。
有人研究了碳纤维复合材料的机敏特性，通过考查电阻的变化反映材料的变形情况。以往的研究都是把碳纤维直接加入材料中，这样，对材料本身会造成破坏。

发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种纤维增强树脂基复合材料自诊断智能结构及用作自诊断的方法。
实现本发明目的的一种纤维增强树脂基复合材料自诊断智能结构，由复合材料结构层和导电纤维机敏层构成，特点是导电纤维机敏层紧密地铺设在复合材料结构层表面，并且该机敏层处于复合材料结构层的受拉面上。
所述的导电纤维机敏层是短切碳纤维毡增强树脂基复合材料，它由设计好的短切碳纤维毡的层数、厚度和铺设方向构成，该机敏层各处的电阻、力学性能各向同性。
本发明的机敏层的基体树脂选用相同于复合材料结构层树脂，可以是不饱和聚酯树脂、环氧树脂或酚醛树脂。
本发明的纤维增强树脂基复合材料自诊断智能结构用作自诊断的方法，其步骤是，(1)把机敏层铺设在需要监控的复合材料结构层表面，在复合材料结构层上布置多个点电极，同时设计连接电极形成的导电通路，使这些导电通路形成二维平面传感监测网络，(2)通过数字多通道电阻测量仪表，采集导电通路上的电阻数据，把采集的数据输入计算机进行分析处理，确定电阻的变化情况，从而监控复合材料各部分的应力和形变。
所述的纤维增强树脂基复合材料自诊断智能结构用作自诊断的方法，其步骤是(1)先测得各电极间初始电阻值R0，(2)实时跟踪测量各电极间的电阻为R，测得电阻值的变化为ΔR＝R-R0，(3)通过各条通路上电阻变化率ΔR/R0的变化，来识别载荷的大小及具体位置。
本发明使用的是短切碳纤维毡，制备出一定厚度的碳纤维树脂基复合材料，作为机敏层，把它紧密地铺设在需要监测的复合材料表面，对材料本身不会造成破坏，不需要在材料内部埋设传感器。短切碳纤维毡本身具有较好的各向同性，两电极间电流基本按直线流动。当复合材料某区域负荷发生变化时，复合材料和机敏层都会产生相应的变形，而变形会改变机敏层导电通路的电阻。当导电通路经过复合材料受拉面时，导电通路上的电阻增量必然会变大，而离负荷区域较远的导电通道由于产生的变形较小，电阻增量必然也较小。另外，电阻数据的采集是布置多对点电极，形成网状通路，二维平面网络通道可根据需要任意设计。


图1为复合材料自诊断智能结构图2为测试装置示意3为8电极菱形连接网络通道布局图4为4电极二个通路网络通道布局图5为8电极网络通道布局图1中A为复合材料结构层，B为机敏层，图3、4、5中数字为电极，圆圈为加载区域。
具体实施例方式
下面结合实施例进一步说明机敏层的制备和电极的布局方法实施例1结构层复合材料是玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，为了使机敏层和结构层界面结合紧密，选用相同的树脂基体。机敏层的配方如下

短切碳纤维毡采用四层90度螺旋方向铺层，机敏层各向同性更好。在复合材料周边对称安放8个电极，连接导电通路形成二维传感网络，监测五个区域的负荷变化情况。电极的连接采用菱形的方式，如图3所示。
实施例2结构层复合材料是玻璃纤维增强环氧树脂复合材料。机敏层的配方如下

短切碳纤维毡共两层，相差180度铺层。采用4个电极、两个通路的网络设计，监测五个区域的负荷变化情况。如图4所示。
实施例3结构层复合材料是玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料，大小为450mm×350mm。机敏层的配方如下

短切碳纤维毡共两层，相差180度铺层。在复合材料周边对称安放8个电极，连接导电通路形成二维传感网络，监测五个区域的负荷变化情况。如图5所示。
在上面三个实施例中，当某一个区域由于负荷的变化使变形较大时，通过该区域附近通道的电阻变化率ΔR/R0变化较大；而远离这个区域通道的电阻变化率ΔR/R0变化较小。所以设计的复合材料智能结构和采集电阻变化数据的网络设计和分析方法是成功的。
权利要求
1.一种纤维增强树脂基复合材料自诊断智能结构，其特征在于该智能结构由复合材料结构层和导电纤维机敏层构成，导电纤维机敏层紧密铺设在复合材料结构层表面，并且该机敏层处于复合材料结构层的受拉面上。
2.根据权利要求1所述的复合材料自诊断智能结构，其特征在于所述的导电纤维机敏层是短切碳纤维毡增强树脂基复合材料，该机敏层各处的电阻、力学性能各向同性。
3.根据权利要求1所述的复合材料自诊断智能结构，其特征在于所述的机敏层的基体树脂选用相同于复合材料结构层树脂，可以是不饱和聚酯树脂、环氧树脂或酚醛树脂。
4.权利要求1所述的纤维增强树脂基复合材料自诊断智能结构用作自诊断的方法，其特征在于步骤是(1)把机敏层铺设在需要监控的复合材料结构层表面，在复合材料结构层上布置多个点电极，同时设计连接电极形成的导电通路，使这些导电通路形成二维平面传感监测网络；(2)通过数字多通道电阻测量仪表，采集导电通路上的电阻数据，把采集的数据输入计算机进行分析处理，确定电阻的变化情况，从而监控材料各部分的应力和形变。
5.根据权利要求4所述的自诊断方法，其特征在于步骤是1)、首先测得各电极间初始电阻值R0，2)、实时跟踪测量各电极间的电阻为R，测得电阻值的变化为ΔR＝R-R，3)、通过各条通路上电阻变化率ΔR/R0的变化，来识别载荷的大小及具体位置。
全文摘要
本发明涉及一种纤维增强树脂基复合材料自诊断智能结构及作自诊断的方法。该智能结构由复合材料结构层和导电纤维机敏层构成，实施方法为，在复合材料结构层表面铺设短切碳纤维毡增强树脂基复合材料形成导电机敏层，通过动态检测机敏层电阻率的变化，实现对复合材料结构中各区域应力、应变状况及分布的监测，从而确定由载荷作用造成的变形程度及位置。本发明对加载区域进行判定方法的结果重现性好，能对复合材料的破坏起到预警作用。具有一定的适用性及实用性。
文档编号G01L5/00GK1492221SQ0312531
公开日2004年4月28日 申请日期2003年8月22日 优先权日2003年8月22日
发明者王钧, 杨小利, 段华军, 王翔, 蔡浩鹏, 朱铭铮, 王 钧 申请人:武汉理工大学