基于碳纳米管纱线扭电能的复合材料损伤监测

2020-05-08万振凯贾敏瑞

纺织学报 2020年4期

李鹏，万振凯，贾敏瑞

(1. 天津工业大学纺织科学与工程学院，天津 300387； 2. 天津工业大学工程教学中心，天津 300387)

三维编织复合材料主要作为航天用结构承载部件，在长期服役期间面临着复杂载荷环境,反复作用的疲劳载荷可使其内部产生损伤。试件损伤的累积会导致材料的刚度和剩余强度发生变化,将严重影响构件的使用寿命和安全系数。航天材料的结构健康监测与其他领域不同，必须保证在不增加结构试件质量、不降低结构力学性能的前提下，具备系统结构简单、可靠性高、全局损伤监测的要求[1]。

多年来，国内外研究者对复合材料的结构健康监测技术进行了深入研究：Alexopouios等[2]将碳纳米管纱线嵌入玻璃纤维增强聚合物(GFRP)中，用于复合材料的结构健康监测，分析了不同拉伸载荷情况下，制件机械应力与碳纳米管(CNT)纱线电阻变化的关系，研究表明试件载荷和CNT纱线电阻变化是一种指数曲线关系，CNT纱线作为应变测量传感器具有很好的重复性，且说明了CNT纱线易于嵌入在复合材料中，而并不会降低材料的力学性能；Jandro等[3]研究了CNT纱线的压敏电阻特性发现，CNT纱线可集成到复合材料中，而主体材料的质量和力学性能保持不变，由CNT纱线组成的应变传感器比金属箔应变传感器具有更高的应变系数；Nisha等[4]研究了CNT纱线嵌入GFRP中构建智能纳米材料的方法，结果表明在GFRP中嵌入CNT纱线不会降低材料的力学性能。

我国一些科技工作者围绕CNT纱线力学特性及其应用进行了深入研究，分析了不同参数CNT纱线制备技术[5]，提出了不同参数CNT纱线的制备方法，研究了嵌入三维复合材料中CNT纱线的传感特性[6]，证明了CNT纱线的电阻变化与试件承载载荷具有很好的重复性和线性关系。此外，利用嵌入CNT纱线分析三维编织复合材料损伤[7]，建立了基于CNT纱线的三维编织复合材料试件内部损伤监测系统[8-9]；同时，利用统计方法研究了三维编织智能复合材料结构损伤实时监测技术[10-11]。

上述研究表明，CNT纱线用于三维复合材料的结构健康监测是可行的，但所有研究均是以CNT纱线的电阻变化为基础，监测结构复杂，电路可靠性低。Kim等[12]研究发现，CNT纱线在承载过程中会产生扭电能(twist energy)，出现这一现象是因为当CNT纱线被拧紧或拉伸时，碳纳米管之间的距离变小，离子聚集到一起，碳纳米管密度变大，使纱线上的电荷彼此靠近从而增加其能量。也就是说，在拉伸过程中，CNT纱线被拧紧或拉伸将机械能转化成为了电能。其研究结果说明，CNT纱线扭电能输出与制件的拉伸强度具有良好的线性关系和重复性。安萍等[13]研究了CNT体积分数对CNT复合薄膜电气性能的影响，结果说明当CNT体积分数较小时, CNT复合薄膜的电导率变化比较缓慢且非常小，复合薄膜表现为绝缘特性；当CNT体积分数为1%～3%时，CNT复合薄膜的电导率迅速增大，复合薄膜表现为半导体特性；当CNT体积分数大于3%时，CNT复合薄膜的电导率变化平缓, 复合薄膜表现为导体特性。这表明CNT体积分数大于3%时，CNT纱线在拉伸时会产生扭电能。本文针对CNT纱线扭电能现象的发现，将CNT纱线通过编织工艺嵌入到三维编织复合材料制件中，构建传感器不需外部供电的航天结构制件损伤监测系统及其损伤评估算法。

1 CNT纱线嵌入方法

为保证嵌入三维编织复合材料中的CNT纱线不弯曲，本文采用三维六向四步法编织技术将CNT纱线与碳纤维纱线共同编织，构建新型三维智能复合材料。图1示出三维六向四步法编织工艺示意图。

图1 三维编织机示意图Fig.1 Schematic diagram of three-dimensional braiding machine

三维六向四步法编织技术是由三维五向编织工艺发展出的编织技术，是在第六向编织方向上设置编织纱，并且轴纱数量和第六向纱数量按需要可以调整。图2示出三维六向携纱器排布规律示意图。图中：△表示轴纱(CNT纱线)携纱器；○表示编织纱(碳纤维)携纱器；—表示引入的第六向纱线(CNT 纱线)。在编织过程中，编织纱携纱器的运动由沿行和列交替运动组成，与四步法携纱器运动过程相同，纱线在携纱器的引导下进行运动和空中取向，而轴纱携纱器只在行的方向上平动，经过一个机器循环回到原始处。携纱器每运动2步后，进行“打紧”，沿行的方向加入纬纱(CNT纱线)，包括最外层的边纱部位，纬纱在垂直于轴向纱的方向来回穿梭。整个编织过程的轴纱和纬纱都不参加编织，分别在编织成型和宽度方向上均匀地夹在编织纱之间的空隙内，在这种编织结构的每一个机器循环中，编织纱携纱器运动仍为4步，且每步运动距离相等，轴向纱携纱器只沿行向运动，不沿列向运动，保持直线状态。

图2 三维六向携纱器排布规律示意图Fig.2 Schematic diagram of carriers arrangement for three-dimensional six-direction braiding

2 CNT纱线扭电能变化规律

CNT纱线通过三维六向编织工艺嵌入三维编织复合材料后，与外部采集电路采用端点镀银方式进行连接，以减小连接点阻抗对测试结果的影响，通过多路信号放大器对CNT纱线的电荷进行放大，然后经模数转换器(A/D)转换读取，并对实时数据进行处理，获取三维编织复合材料试件实时损伤状态信息。利用该系统实现对三维编织复合材料制件的实时损伤监测，分析出试件不同类型损伤与扭电能的数据关系，通过主成分分析(PCA)理论分析出CNT纱线扭电能在试件承载中变化规律。

3 三维编织复合材料试件损伤算法

PCA是将一组具有相关性的变量重新组合转换成一组新的互相无关综合变量的算法，通过PCA可用几个较少的综合变量反映原来多变量的综合信息，主要包括数据的预处理、基准模型建立、主成分计算和在线故障诊断几部分。

3.1 测试数据的预处理

X是多个CNT纱线传感器测量的数据矩阵，代表每个试件样本的测量数据集合。在结构健康监测应用中，采集的CNT纱线数据在整个时间段内是动态数据。CNT纱线扭电能数据可用三维矩阵形式进行组织，其中：I为试验次数；K为试件个数；J为传感器个数。应用PCA数据分析时，首先对矩阵X数据进行标准化处理，对每个CNT纱线测量的数据用同一时刻所有CNT纱线测量数据的均值和标准差进行归一化。

3.2 PCA基准模型构建

3.3 PCA复合材料结构损伤监测

对监测试件使用的CNT纱线数量必须与PCA基准数据建设阶段使用的CNT纱线相同，采集数据的数量与PCA基准数据数量相同。根据投影主成分数据计算出相应的T2统计量、Q统计量损伤指数，将损伤指数与基准数据相比得出试件损伤状态和损伤类型。

损伤指数是用于评价复合材料试件承载受力后破坏状态的无量纲指数，分为整体损伤指数和局部损伤指数。

第i个试验的T2损伤指数定义为

式中：xi为第i次试验采集数据的行向量；tsi为矩阵第i行的行向量；P为矩阵X的PCA转换矩阵；Λ=diag(λ1,λ2,…,λj,…，λi)；λj是矩阵X协方差矩阵的特征值。

第i次试验向量xi的Q损伤指数定义为

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4 CNT纱线扭电能变化规律分析

本文研究中所制备的复合材料试件编织纱为碳纤维T300B，在三维六向复合材料试件的制备中，每间隔8个编织纱(T300B碳纤维)携纱器，设置1根CNT纱线作为轴向纱，按三维六向四步编织生成具有智能功能的三维复合材料试件。CNT纱线采用南京先丰纳米材料科技有限公司生产的碳纳米管纱线，强度为800～1 000 MPa、模量为50～100 GPa。试件基体选用环氧树脂TDE-86，复合材料预制件采用70酸酐固化。试件尺寸均为 35 mm×20 mm×10 mm。拉伸试验利用日本岛津公司SHIMADZU AG-250KNE型材料试验机进行，试件拉伸速度为0.5 mm/min。图3示出3个含有CNT纱线的六向编织复合材料试件。

图3 复合材料试件Fig.3 Test specimens of composite material

试件参数如表1所示。试件1#为不存在任何缺陷的三维编织复合材料制件；2#为含有2处孔洞损伤的试件，洞损尺寸分别为0.40和0.23 mm；3#中内部设置了2处裂纹，裂纹长度约为0.93和0.61 mm。

表1 三维编织复合材料试件参数Tab.1 Parameters of specimen for three-dimensional braided composite material

试验按ASTM D3039—1976《聚合物基复合材料拉伸性能标准试验方法》进行，采用机械应力分段加载方式。试件1#为参考试件，参与所有加载方式。试件2#采用分段加载方式，第1段加载至断裂应力的50%，第2段加载至断裂应力的90%。试件3#采用直接加载至断裂应力的90%。在上述拉伸试验中，分析3个试件内部CNT纱线的扭电能数据变化与试件内部损伤关系。

为研究CNT纱线的扭电能特征，对试件1#进行拉伸试验，结果如图4所示。可以看出：在应变为1%～3%区间内，CNT纱线的扭电能具有一定的变化，特别是在拉伸0.5%之内，扭电能的数值较大，这是因为在拉伸初期，试件内部的树脂存在微小的裂变，基体裂纹和纤维存在一定分离，使得CNT纱线扭电能出现变化；随着拉伸的进行，试件树脂裂变趋于稳定，而CNT的扭电能也趋于稳定，这说明基于CNT纱线的扭电能，对试件的内部损伤识别具有很高的分辨力。

图4 应力应变和扭电能电荷变化Fig.4 Correspondence diagram of stress strain and twist energy charge change

利用PCA指数来分析试件的损伤情况，图5示出试件1#、2#第1段拉伸加载试验计算的T2指数曲线图。可以看出，试件1#的T2指数值远小于试件2#的，试件1#的T2损伤指数值在拉伸试验中变化量不大。试件2#的T2损伤指数值可表明其在拉伸过程中，有2处T2损伤指数值大于800，1处位于应变2.3%处,1处位于应变4.1%处，可以说明在应变为2.3%和4.1%时，试件2#内部的孔洞对CNT纱线扭电能产生很大影响，同时可看出，第1处损伤T2损伤指数值较大，这说明利用该指数值可描述试件的损伤情况，也可以通过试件中CNT纱线的布线位置以及扭电能的大小，采用文献[8]计算方法分析试件的损伤位置。

图5 试件1#和2#第1段拉伸T2值Fig.5 T2 value of specimens 1# and 2# in first stretching

由于试件2#内部含有0.40和0.23 mm孔洞，而对应的T2损伤指数值为1 000 和900，可计算出基于CNT 扭电能T2损伤指数值的损伤分辨δ为0.002 mm。

图6示出试件1#和2#第1段拉伸试验的Q损伤指数曲线。可以看出，Q损伤指数曲线的变化规律与T2损伤指数基本一致，不同的是Q损伤值很小，但曲线变化较为平滑，这说明Q损伤指数曲线对损伤特征的描述更为详细，更能准确计算出损伤的位置。

图6 试件1#和2#第1段拉伸Q值Fig.6 Q value of specimens 1# and 2# in first stretching

图7、8分别示出试件1#、2#第2段拉伸试验的T2损伤指数和Q损伤指数曲线。可以看出，试件在损伤处，Q损伤指数值大于其他拉伸阶段的Q值，通过Q值可准确判断试件出现损伤的准确时刻。

图7 试件1#和2#第2段拉伸T2值Fig.7 T2 value of specimens 1# and 2# in second stretching

图8 1试件#和2#第2段拉伸Q值Fig.8 Q value of specimens 1# and 2# in second stretching

图5～8表明：试件2#经过2段拉伸试验，均能利用CNT纱线扭电能监测出试件的内部损伤，这说明基于CNT纱线的扭电能并结合损伤指数可监测试件任何内部损伤状态。

图9、10分别示出试件1#、3#加载试验T2损伤指数和Q损伤指数曲线。试件3#是含有裂纹损伤的试件，图9、10损伤指数曲线均呈现出2处低峰值，该低峰值是由于2#试件内部的2处损伤导致扭电能的变化，且损伤指数曲线波动较大，这说明裂纹损伤对CNT纱线扭电能的影响较大，且影响到多个CNT纱线的扭电能，使得损伤指数变化波动较大。