CN108181029A - 碳纳米纸传感器多方向监测纤维增强复合材料应变的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碳纳米纸传感器多方向监测纤维增强复合材料应变的方法，在碳纳米纸的表面以碳纳米纸中心点为圆心的圆周上均匀设置24个电极，根据待监测纤维复合材料实际力学实验要求，选定需要进行应变监测的方向，在每一选定后的方向上，选取两根导线分别连接在所述方向的两个电极上，形成碳纳米纸传感器，将所述碳纳米纸传感器外贴于待监测纤维复合材料表面的中心位置，利用万能表分别采集所述碳纳米纸传感器各方向的电阻变化值，得到电阻变化‑纤维复合材料应变的关系曲线，并拟合得到各方向的应变传感系数，实现对纤维复合材料的应变的多方向监测。本发明监测方法操作简单、监测结果精准、且能实现多方向的监测，适用性强。
Description
技术领域：
本发明属于复合材料健康监测领域，尤其涉及一种碳纳米纸传感器多方向监测纤维增强复合材料应变的方法。
背景技术：
纤维增强复合材料具有比强度高、比刚度大、抗疲劳性能好以及材料性能可设计等优点，因而在航空、航天、船舶、汽车等工程领域中被广泛应用。但是，由于纤维增强复合材料是由纤维、基体与界面相组成的多相材料，属于典型的各向异性材料，所以在实际工程应变载荷作用下，较易产生纤维断裂、界面脱粘、基体开裂以及分层等多种形式的内部损伤与破坏，所有这些因素降低了复合材料使用的可靠性和安全性。因此，对纤维增强复合材料在载荷作用下的应变行为甚至损伤失效进行监测，对复合材料的更广泛应用具有重要意义。
对于纤维增强复合材料应变行为监测方法，最常用的是传统的应变片电测技术，它具有精度高，测量范围广，频率响应特性较好等很多的优点，但是要实现复合材料的多方向监测，需要多个应变片同时粘贴且粘贴线路的布设非常复杂，运用应变花也是仅仅能确定平面应力场中主应变的大小和方向，无法单独测量多方向的应变状态。另外，光纤光栅传感器也适合复杂条件下结构应变信息长期监测工作，通过合理布控光纤光栅可以简单地实现多点与多方向的应变监测。但是，光纤直径虽然较小，当将其作为传感元件埋入复合材料中之后，与纤维直径相比仍然大了近两个数量级。这相当于在复合材料中从力学范畴内引入了一个人为的缺陷，从而会对复合材料的力学性能造成一定的影响。
发明内容：
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种碳纳米纸传感器多方向监测纤维增强复合材料应变的方法，目的是简单直接地多方向监测纤维增强复合材料应变的变化。
实现本发明目的的技术方案按照以下步骤进行：
(1)在形状为中心对称图形的碳纳米纸的表面，以所述碳纳米纸中心点为圆心的圆周上均匀设置24个电极；
(2)设定：两根导线分别连接在关于所述碳纳米纸中心点对称的两个电极上，用于监测一确定方向的应变；
(3)根据待监测纤维复合材料实际力学实验要求，选定需要进行应变监测的方向，在每一选定后的方向上，选取两根导线分别连接在对应的电极上，形成碳纳米纸传感器，将所述碳纳米纸传感器外贴于待监测纤维复合材料表面的中心位置，之后利用真空袋成型工艺固化成型；
(4)利用万能表分别采集所述碳纳米纸传感器各方向的电阻变化值ΔR，得到待监测纤维复合材料在进行力学实验过程中的电阻变化ΔR-纤维复合材料应变ε关系曲线；根据公式其中ΔR为碳纳米纸传感器的电阻变化值、ε为待监测纤维复合材料的应变值、R0为碳纳米纸传感器的初始电阻、S为应变传感系数，拟合得到各方向的应变传感系数S，实现对纤维复合材料的应变的多方向监测。
其中，所述导线均采用导电银胶固定在电极上。
优选地，所述碳纳米纸采用圆形碳纳米纸。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果：
本发明采用的碳纳米纸的微观三维网络结构与纤维增强复合材料具有很好的界面结合性能，可与复合材料一体成型，不会影响复合材料的力学性能，同时也克服了光纤光栅传感器尺寸较大、埋入复合材料结构内部会影响结构性能的问题。
在碳纳米纸上，以碳纳米纸中心点为圆心的圆周上均匀设置24个电极，根据待监测纤维复合材料实际力学实验要求，选定需要进行应变监测的方向，实现了多个监测方向的选择，更加灵活方便。
在每一选定后的方向上，选取两根导线分别连接在对应的电极上，形成碳纳米纸传感器，利用万能表分别采集所述碳纳米纸传感器各方向的电阻变化值ΔR，得到待监测纤维复合材料在进行力学实验过程中的电阻变化ΔR-纤维复合材料应变ε关系曲线，进而拟合出应变传感系数S，通过直观的观测应变传感系数S，实现了纤维增强复合材料应变的多方向监测。
碳纳米纸选择圆形，并且电极也是按照圆形排布，这样就能保证任意关于所述碳纳米纸中心点对称的两个电极之间的距离是一致的(直径距离相同)，避免了不同方向测量时引入的电极间距离所带来的影响。
附图说明：
图1是本发明实施例碳纳米纸传感器电极分布及导线粘接示意图；
图2是本发明实施例碳纳米纸传感器和待监测纤维增强复合材料粘贴位置示意图；
图3是本发明实施例碳纳米纸传感器测量纤维增强复合材料的电阻变化-应变曲线图。
图中，1至24表示均匀排布的24个电极，Ⅰ-碳纳米纸，Ⅱ-导线，Ⅲ-碳纳米纸传感器，IV-待监测纤维增强复合材料。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明实施例采用的碳纳米纸是专利申请CN2012104391772(基于碳纳米管三维网络薄膜的温度传感器制备方法)中制备的碳纳米纸。从所述碳纳米纸上裁剪下一个直径为50mm的圆形片状结构单元，作为圆形碳纳米纸。在其他实施例中，可裁剪成长方形、正方形等中心对称图形。
本发明实施例采用的待监测纤维增强复合材料是8层玻璃纤维/环氧树脂。
本发明实施例采用的待监测纤维增强复合材料进行的是静态单轴拉伸实验。
本实施例的碳纳米纸传感器多方向监测纤维增强复合材料应变的方法按照以下步骤进行：
(1)在所述圆形的碳纳米纸Ⅰ的表面，以所述碳纳米纸Ⅰ中心点为圆心的圆周上均匀设置24个电极，编号为1到24，即相邻两个电极之间的中心角为15度，如图1所示；
(2)设定：两根导线分别连接在关于所述碳纳米纸Ⅰ中心点对称的两个电极上，用于监测一确定方向的应变；
(3)选取1号和13号位置电极，是用来测量0度方向的应变，进一步选取两根导线Ⅱ，分别粘接在1号和13号电极上；选取4号和16号位置电极，是用来测量45度方向的应变，进一步选取两根导线Ⅱ，分别粘接在4号和16号电极上；选取7号和19号位置电极，是用来测量90度方向的应变，进一步选取两根导线Ⅱ，分别粘接在7号和19号电极上，最后形成监测上述三个方向(0度、45度、90度)的碳纳米纸传感器Ⅲ，将接好导线Ⅱ的碳纳米纸传感器Ⅲ外贴于待监测纤维复合材料IV表面的中心位置，如图2所示，之后利用真空袋成型工艺固化成型；
(4)成型后的待监测纤维复合材料IV在静态单轴拉伸实验过程中，利用万能表分别采集所述碳纳米纸传感器Ⅲ上述三个方向的电阻变化值ΔR，得到待监测纤维复合材料IV在进行静态单轴拉伸实验过程中的电阻变化ΔR-纤维复合材料应变ε关系曲线，如图3所示；
根据公式其中ΔR为碳纳米纸传感器的电阻变化值、ε为待监测纤维复合材料的应变值、R0为碳纳米纸传感器的初始电阻、S为应变传感系数，拟合得到各方向的应变传感系数S，通过直观观测应变传感系数S的变化，实现对纤维复合材料的应变的多方向监测。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (3)
1.一种碳纳米纸传感器多方向监测纤维复合材料应变的方法，其特征在于按照以下步骤进行：
(1)在形状为中心对称图形的碳纳米纸的表面，以所述碳纳米纸中心点为圆心的圆周上均匀设置24个电极；
(2)设定：两根导线分别连接在关于所述碳纳米纸中心点对称的两个电极上，用于监测一确定方向的应变；
(3)根据待监测纤维复合材料实际力学实验要求，选定需要进行应变监测的方向，在每一选定后的方向上，选取两根导线分别连接在对应的电极上，形成碳纳米纸传感器，将所述碳纳米纸传感器外贴于待监测纤维复合材料表面的中心位置，之后利用真空袋成型工艺固化成型；
(4)利用万能表分别采集所述碳纳米纸传感器各方向的电阻变化值ΔR，得到待监测纤维复合材料在进行力学实验过程中的电阻变化ΔR-纤维复合材料应变ε关系曲线；根据公式其中ΔR为碳纳米纸传感器的电阻变化值、ε为待监测纤维复合材料的应变值、R0为碳纳米纸传感器的初始电阻、S为应变传感系数，拟合得到各方向的应变传感系数S，实现对纤维复合材料的应变的多方向监测。
2.根据权利要求1所述的碳纳米纸传感器多方向监测纤维复合材料的方法，其特征在于：所述碳纳米纸采用圆形碳纳米纸。
3.根据权利要求1所述的碳纳米纸传感器多方向监测纤维复合材料的方法，其特征在于：所述导线利用导电银胶固定在所述电极上。
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