嵌入碳纳米线的三维编织复合材料损伤监测

为实现对三维编织复合材料制件损伤情况进行实时监测,提出了通过三维五向四步法在三维编织复合材料中嵌入碳纳米线传感器的方法,由于碳纳米线传感与碳纤维具有相似性,因此碳纳米线嵌入三维编织复合材料制件的对其承载性能几乎没有影响。通过三点弯曲实验分析了碳纳米线在三维编织复合材料制件遭受外界应力时其电阻变化率与应力应变的相关性。实验结果说明显示其相关性为指数拟合关系,因此,三维编织复合材料的损伤状况可通过嵌入其中的碳纳米线传感器的电阻变化率与制件所承载的应力应变函数映射关系来进行实时监测。     

嵌入三维编织复合材料的碳纳米线应变传感特性

为实现三维编织复合材料的原位结构健康监测,研制了嵌入碳纳米线的三维五向编织复合材料预制件,建立了基于三维编织复合材料试件的碳纳米线应变传感实验系统,分析了嵌入三维编织复合材料中的碳纳米线应变传感特性。结果表明：在单调拉伸和循环加载卸载过程中,嵌入三维编织复合材料的碳纳米线传感器电阻变化与试件应变的线性相关性较高;在较大载荷循环加载卸载后,碳纳米线传感器产生的残余电阻可用于检测试件的损伤或累积损伤;引入电阻应变相关系数建立了电阻变化净差值与机械应变净差值的应变传感方程,可实现基于碳纳米线传感器的三维编织复合材料原位结构健康监测。     

基于碳纳米线的三维编织复合材料制件内部缺陷检测研究

使用碳纳米线作为传感器对三维编织复合材料制件内部缺陷进行无损检测。描述了碳纳米线嵌入三维编织复合材料制件的基本方法,分析了碳纳米线的力学特性。测试结果表明,嵌入的碳纳米线电阻与三维编织复合材料制件的拉伸应变具有很好的线性关系。并采用电阻响应面理论分析了三维编织复合材料制件的内部缺陷,其结果与扫描电镜显示的结果一致,说明碳纳米线应用于三维编织复合材料制件无损检测可行。该方法为三维编织复合材料制件的无损检测提供了一种新技术。     

光纤布拉格光栅在复合材料连续状态健康监测中的应用

为实现三维编织复合材料状态健康连续监测,根据三维编织复合材料的编织工艺,将光纤布拉格光栅(FBG)传感器嵌入到复合材料制件中,分析拉伸承载下的制件内部应变与FBG传感器信号变化的关系.实验结果表明,FBG传感器信号与制件应变具有较好的线性关系,复合材料的表面编织角对FBG的信号具有一定影响,嵌入FBG传感器对复合材料的...     

智能复合材料中碳纳米管纱线参数设计及其变化特征

为将碳纳米管纱线传感器嵌入复合材料中, 利用三维编织技术构建了智能三维编织复合材料。针对三维六向编织复合材料编织结构,构建了编织机携纱器运动数学模型;提出了智能复合材料嵌入碳纳米管纱线的数量、长度的计算方法;分析了碳纳米管纱线在承载下的电阻变化特征。实验证明：通过Bezier 曲线计算的碳纳米管纱线长度值与实际长度的误差小于1%;当拉伸应变超过2%时,嵌入的碳纳米管纱线的应力与应变开始出现非线性;试件的加载－ 卸载对碳纳米管纱线的电阻变化具有一定影响,试件承受大负荷卸载后,碳纳米管纱线会产生剩余电阻。     

碳纳米线的拉伸应变传感特性

为开发用于三维编织复合材料原位结构健康监测的碳纳米线传感器,建立了碳纳米线应变传感实验系统,通过纵向拉伸实验,分析了碳纳米线的机械性能（应力和应变）和电性能（初始电阻和应变灵敏系数）之间的关系,并对性能参数进行了Weibull 统计分析,系统研究了碳纳米线的应变传感特性。结果表明：纵向拉伸负载期间,碳纳米线相对电阻变化与应变呈现良好的线性关系;碳纳米线具有与传统应变监测相当的应变灵敏系数,适合用于检测破坏极限应变远小于碳纳米线应变（碳纳米线的破坏应变均值10％,最小值为2.5％）的复合材料的损伤,是复合材料结构健康监测传感器的良好候选材料。     

基于碳纳米线传感器的三维六向编织复合材料内部损伤定位

为研究三维编织复合材料的实时结构健康状态监控,针对三维六向编织复合材料编织结构,采用三维四步六向编织方法将碳纳米线传感器以轴向纱和六向纱形式嵌入复合材料中,提出了一种构建智能三维复合材料的方法,建立了基于碳纳米线的三维编织复合材料试件内部损伤监测系统。基于碳纳米线测量的电阻值矩阵,采用四分矩阵奇异值分解方法分析信号矩阵的主要特征,计算试件内部的损伤准确位置。实验采用5种不同类型损伤试件进行分析,结果表明,该方法计算的试件内部损伤位置与实际损伤一致,测量的损伤位置坐标误差小于1。该研究可为智能三维编织复合材料的健康监测发展提供理论基础。     

基于SQUID的复合材料承载电气特性

描述了三维编织复合材料的电阻测试基本方法,针对材料的特性,采用SQUID技术研究三维编织复合材料的电磁参数测试方法,分析了不同载荷下材料的电阻、电磁变化规律。试验结果表明：三维编织复合材料的电气特性受制造参数和承载方式的影响,三维编织复合材料越厚,电阻值越小;表面编织角越小,电阻越小;纤维含量越高,电阻越小。承载状态下电阻在拉伸较小时呈现出线性增加,当拉伸超过6%时,电阻的增加呈现非线性增加,三点弯曲对电阻有着较大影响,加载时要比卸载时电阻、电磁量变化大。     

大尺寸三维编织复合材料结构损伤指数特征

为实现大尺寸三维编织复合材料内部损伤实时监测,针对三维六向编织复合材料的编织特点,将布拉格光栅（ＦＢＧ）传感器嵌入三维编织复合材料预制件中,提出了大尺寸智能复合材料的制作方法。研究了大尺寸复合材料内部ＦＢＧ 传感器的拉伸特性,基于主成分分析方法提出了制件结构损伤检测算法,分析了相同损伤的４ 个制件的损伤指数表现特征。试验结果表明：ＦＢＧ 传感器能准确测量复合材料内部损伤变化;损伤指数可描述试件结构损伤程度。损伤指数Ｔ２ 和综合损伤指数Ｐｈｉ 能迅速诊断制件内部损伤的存在性,对于制件的同一个损伤Ｐｈｉ 指数计算值大于Ｔ２ 指数值,是其２ 倍以上,Ｐｈｉ 指数可用于及时判断制件内部是否产生损伤,Ｑ 指数和Ｉ 指数描述损伤的详细参数更加准确。     

三维编织复合材料中碳纳米管纱线嵌入位置和数量的优化配置

为解决三维编织复合材料嵌入碳纳米管(CNT)纱线传感器优化配置目标多、目标函数不连续问题,实现航天结构制件内部损伤的全面监测,采用非支配邻域免疫算法对多目标优化问题进行了研究。以四步法三维六向编织工艺为依据,分析了CNT纱线传感器的最佳嵌入位置和数量;通过非支配邻近免疫算法实现了CNT纱线传感器优化配置问题的求解,推导出不同尺寸的三维编织复合材料制件嵌入传感器的最优数量和位置。对损伤制件的应力实验及数据分析证明,CNT纱线传感器优化配置结果适用于三维编织复合材料的损伤监测,损伤定位误差小于0.6 mm。该研究为复合材料损伤源定位模型的建立提供参考。     

三维六向编织SiCf/SiC复合材料的力学行为及其损伤机制

为解决陶瓷基复合材料在服役过程中因拉伸和弯曲导致的失效问题,以三维六向编织SiC_f/SiC复合材料为研究对象,分析了受力过程中复合材料力学行为与纤维及结构的联系机制。采用微计算机断层扫描技术获得材料结构及孔隙的三维图像,对复合材料纵向和横向进行拉伸、弯曲性能测试,并阐明其损伤机制。结果表明:复合材料呈现明显的各向异性特性,纵向拉伸强度和弯曲强度分别是横向的10.37、5.06倍;复合材料不同方向受力的损伤模式不同,拉伸载荷下纵向试样裂纹沿着六向纱呈Z字形扩展,而横向试样裂纹沿着编织轴向扩展,最终导致拉伸破坏;弯曲载荷下裂纹沿着厚度方向扩展,并最终导致纵向及横向试样的韧性断裂,且纵向韧性优于横向。     

碳/芳纶混编三维编织复合材料拉伸性能

为分析三维编织复合材料拉伸性能和失效机制,分别以碳纤维和芳纶纤维为轴纱和编织纱织造了三维五向、三维六向碳/芳纶混编复合材料。采用数字图像相关法采集试样在单轴拉伸过程中表面全场应变信息得到的泊松比。结果表明：三维编织复合材料泊松比受编织结构的影响较大,同种编织结构下,碳纤维为轴纱的复合材料基本保持了碳纤维三维编织复合材料的拉伸强度和模量,同时提高了断裂伸长率;芳纶纤维为轴纱的复合材料则显著提高了断裂伸长率,但拉伸强度和模量损失较为明显;同种混编方式下,三维五向编织复合材料的拉伸强度和拉伸模量较三维六向高,断裂伸长率无明显差异。编织纱分别为碳纤维和芳纶纤维的三维编织复合材料高应变区分别类似点阵分布和波浪线分布,三维五向和三维六向编织复合材料高应变区分别呈均匀分散分布和横向分布。     

T字型三维机织物设计及其复合材料弯曲性能

为探究不同梁高的T 字型三维整体机织复合材料的弯曲力学性质,经合理设计,使用玄武岩长丝束在普通小样织机上,低成本织造3 种不同梁高的T 字型三维整体机织物,采用真空辅助树脂传递模塑成型工艺,制备Ｔ 字型三维整体机织复合材料。用电子万能试验机测试,得到相应的载荷位移曲线和吸收能量位移曲线。由实验结果可知,梁越高的T 型三维整体机织复合材料所承受的载荷和吸收的能量也越高,且不同梁高的T 型三维整体机织复合材料也表现出不同的弯曲破坏模式。该研究结果表明,梁高对T 字型三维整体机织复合材料的弯曲载荷、吸能和破坏模式影响显著。     

Experimental study on the bending fatigue behaviors of 3D five directional braided T-shaped composites

The static three-point bending properties and cyclic bending fatigue performances of three-dimensional five-directional braided T-beam composite (3D5DBTC) have been investigated at room temperature. The fatigue life of 3D5DBTC under different stress levels was analyzed based on the obtained S–N curves. The load–displacement hysteresis loops curves and stiffness degradation curves were recorded to reveal the relationship between stiffness degradation and damage evolution. It is shown that there were three distinct stages corresponding respectively to matrix cracks, interface debonding, and fiber breaking in the whole fatigue loading. In addition, to understand the ultimate fracture failure mechanism of 3D5DBTC under the different fatigue loading conditions, the damage morphologies of 3D5DBTC after fatigue testing were observed by macrographs and SEM micrographs. The matrix crack and the resin–yarns interface debonding occurred on the flange while fiber breakages occurred in the web. Meanwhile, macrographs and SEM images confirm that fiber breaking is the dominant damage under the high stress level, while matrix cracking and interfacial debonding are the main failure modes at low stress level.