基于碳納米管壓阻效應(yīng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)

朱永凱 ,陳盛票,田貴云,2,潘仁前,王海濤

(1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,南京 210016;2.紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)N EI 7RU,英國(guó))

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(S tructural Health Monitoring ,S HM)是指利用現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)損傳感技術(shù),通過(guò)分析包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性,達(dá)到檢測(cè)結(jié)構(gòu)損傷或退化的目的[1]。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的方法眾多,目前研究和應(yīng)用較多的主要有光纖、應(yīng)變傳感、超聲、渦流、紅外熱成像、射線(xiàn)、聲發(fā)射等,其中,光纖和應(yīng)變傳感主要用于在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),而其它方法更多地用于線(xiàn)下檢測(cè)中。在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)中,對(duì)損壞的傳感器進(jìn)行更換的費(fèi)用較為昂貴,而且很多傳感器都直接集成到材料內(nèi)部,無(wú)法更換,要求傳感器的有效壽命要高于結(jié)構(gòu)本身的使用壽命,且集成后傳感器對(duì)材料性能的影響應(yīng)越小越好。光纖因其本身具有易脆性這一缺點(diǎn),需經(jīng)過(guò)保護(hù)性包覆后進(jìn)行埋覆,對(duì)材料本身的性能會(huì)造成較大的影響。而應(yīng)變傳感技術(shù)中的傳感材料與被測(cè)結(jié)構(gòu)復(fù)合后,對(duì)原有結(jié)構(gòu)性能的影響則很微小。目前所常用的應(yīng)變傳感方式包括壓阻式、壓電式、電容式、電感式等,而壓阻式應(yīng)變傳感方式因具有較高的精度和較好的線(xiàn)性特性得到了廣泛的應(yīng)用。其中,壓阻式應(yīng)變傳感方式利用的是固體的壓阻效應(yīng)[2],是指固體受到作用力后電阻率(或電阻)發(fā)生變化的現(xiàn)象,為機(jī)械能和電能之間提供了一種簡(jiǎn)單直接的能量與信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)制[3]。目前,壓阻式應(yīng)變傳感器所采用的材料多為單晶硅材料,但相關(guān)研究機(jī)構(gòu)通過(guò)對(duì)碳納米管性質(zhì)的研究,發(fā)現(xiàn)它除了具有優(yōu)越的壓阻特性外,在綜合性能方面也具有優(yōu)越性。比如碳納米管具有高彈性、低質(zhì)量密度、大長(zhǎng)徑比(通常＞1000)的特點(diǎn)[4],其彈性模量超過(guò)1T Pa,與金剛石的彈性模量相當(dāng),約為鋼的5 倍,是已知材料中最高的,它的彈性應(yīng)變量最高可達(dá)20%,為鋼的60 倍,而其密度只有鋼的1/6[5]。此外,碳納米管的熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性能也遠(yuǎn)高于銅。碳納米管的這些優(yōu)越性能使其作為傳感材料時(shí)比其它材料具有更好的質(zhì)量和更長(zhǎng)的使用壽命。

1 碳納米管的壓阻性質(zhì)

1.1 概述

1991 年,日本電鏡學(xué)家Iijima[6]通過(guò)高分辨率電子顯微鏡(HRTEM)觀(guān)察電弧蒸發(fā)石墨產(chǎn)物時(shí)發(fā)現(xiàn)了多壁碳納米管(M WN Ts),其外形如圖1(a)所示。大約兩年后,Iijima[7]又發(fā)現(xiàn)了單壁碳納米管(SWNT s),其外形如圖1(b)所示。同時(shí),碳納米管按手性又可以分為非手性型管(對(duì)稱(chēng))和手性型管(不對(duì)稱(chēng))。其中非手性型管又可分為扶手椅型管和鋸齒型管,其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。研究表明,碳納米管既有金屬性又有非金屬性。其中,碳納米管的金屬性和非金屬性依賴(lài)于它的手性,僅依靠手性控制尚無(wú)法選擇性地獲得金屬性或非金屬性的碳納米管,但目前可以通過(guò)一些方法將金屬性或半導(dǎo)體性的碳納米管分離開(kāi)來(lái),從而實(shí)現(xiàn)碳納米管的電性控制,并且碳納米管的層數(shù)和直徑目前都可以控制,為碳納米管的傳感應(yīng)用提供了保障。

圖1 碳納米管結(jié)構(gòu)示意圖[8]

碳納米管壓阻式應(yīng)變傳感器的關(guān)鍵因素之一是其阻值特性,碳納米管電阻主要來(lái)源于兩個(gè)方面[9]:一方面,碳納米管自身存在的電阻,碳納米管內(nèi)部電阻阻值的變化跟應(yīng)變和碳納米管的手性角有關(guān),而且手性角的變化對(duì)碳納米管內(nèi)阻的影響是比較大的,尤其是當(dāng)手性角接近0°時(shí),其影響更為顯著;另一方面,碳納米管與碳納米管之間存在的電阻,碳納米管管間電阻又分為接觸電阻和隧道電阻,其中隧道電阻對(duì)阻值影響較大,而純碳納米管所制成的薄膜,只存在接觸電阻,隧道電阻只在碳納米管聚合物中存在,可見(jiàn),碳納米管聚合物薄膜里各種電阻的產(chǎn)生機(jī)制均存在,而隧道電阻所表現(xiàn)的特性突出。

圖2 按手性分類(lèi)的碳納米管結(jié)構(gòu)示意圖[7]

1.2 壓阻式碳納米管的傳感特性

目前,研究所發(fā)現(xiàn)的碳納米管壓阻方面的特性主要可概括為以下幾個(gè)方面。

1.2.1 線(xiàn)性度

Dang[10]等人在對(duì)多壁碳納米管-甲乙烯硅橡膠(MWN T-VMQ)聚合物進(jìn)行的壓阻研究試驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)樣品的壓力-電阻率變化曲線(xiàn)呈現(xiàn)出優(yōu)越的線(xiàn)性變化特性。而且, Cao[11]、Park[12]、Pham[9,13]、Kang[14-15]、Song[16]、張毅[17]、Gau[18]、韓向宇[19-20]等人在所進(jìn)行的多壁碳納米管膜或其電導(dǎo)聚合物薄膜的壓阻效應(yīng)研究試驗(yàn)中均證實(shí)了其樣品具有很好的線(xiàn)性特性。多壁碳納米管聚合物的壓阻效應(yīng)中所具有的良好的線(xiàn)性特性使其在傳感檢測(cè)中對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)的形變能有更加直觀(guān)的反映,且無(wú)需進(jìn)行線(xiàn)性校正等工作。

1.2.2 可逆性

Pham[9,13]等人在給多壁碳納米管電導(dǎo)聚合物(MWN T-PMMA)樣品進(jìn)行周期性的三角波力加載時(shí),發(fā)現(xiàn)樣品的時(shí)間-電阻率變化曲線(xiàn)也呈良好的周期性三角波形狀。 在其它研究機(jī)構(gòu)或單位[10,17-18,21-22]所進(jìn)行的關(guān)于碳納米管壓阻性質(zhì)的研究中,這一性質(zhì)也均得到了很好的驗(yàn)證,而材料性能的可逆性是傳感材料應(yīng)具備的基本條件。因此,多壁碳納米管及其聚合物所具有的良好的壓阻可逆性也是其作為壓阻傳感應(yīng)用的一個(gè)必要條件。

1.2.3 靈敏度

Kang[15]等人在對(duì)碳納米管基于聚合物基體的壓阻效應(yīng)研究中發(fā)現(xiàn)應(yīng)變傳感器樣品具有低帶寬和高靈敏特性。Gau[18]等人在研究試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了碳納米管聚合物比多晶硅傳感器具有更高的靈敏度和更快的響應(yīng)時(shí)間,相比于其它壓阻傳感材料更具有優(yōu)越性。不過(guò),碳納米管聚合物壓阻效應(yīng)的靈敏度受碳納米管的管徑大小(長(zhǎng)徑比)[9-10,19]、制備方法[11,20]及其在聚合物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[9,13,18]等因素的影響。因此,要制備符合特定要求的聚合物材料,就需要從以上幾個(gè)因素著手考慮。課題研究中,擬選用經(jīng)化學(xué)處理的,管徑較小(3～10 nm)的多壁碳納米管材料,并對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚合物分別進(jìn)行性能研究試驗(yàn),從中選取性能較為優(yōu)越的材料。

1.2.4 溫度特性

張毅[17]在對(duì)幾組分別經(jīng)過(guò)不同方法處理的碳納米管膜進(jìn)行的溫度-電阻變化研究試驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)經(jīng)普通超聲分散處理的樣品,其電阻率隨溫度緩慢上升,而其它經(jīng)化學(xué)切割或纖維混合壓實(shí)處理的樣品,電阻率則隨溫度的升高呈大幅線(xiàn)性下降趨勢(shì)。因此,可根據(jù)其電阻率受溫度影響所產(chǎn)生的線(xiàn)性變化特性對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償,具有方法簡(jiǎn)單、補(bǔ)償精度高等優(yōu)點(diǎn),這一特性使碳納米管更易作為傳感應(yīng)用。

而在Cao[11]等人所進(jìn)行的溫度對(duì)多壁碳納米管膜壓阻性質(zhì)的影響的研究試驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)在不同環(huán)境溫度下,樣品的應(yīng)變-電阻率變化曲線(xiàn)的線(xiàn)性特性并未發(fā)生大的變化。不過(guò),隨著溫度的升高,樣品的電阻率隨應(yīng)變變化會(huì)有所加快,即靈敏度有所提高。Gau[22]等人發(fā)現(xiàn)由聚酰亞胺-多壁碳納米管(PIMWN T)聚合物為傳感材料加工而成的微壓力傳感器比多晶硅具有更好的熱穩(wěn)定性。這也說(shuō)明了多壁碳納米管在溫度特性方面比其它傳感材料更加優(yōu)越。實(shí)際傳感方案中,將利用碳納米管的線(xiàn)性溫度特性對(duì)不同環(huán)境溫度下的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行線(xiàn)性溫度補(bǔ)償,以獲得準(zhǔn)確的應(yīng)變測(cè)量結(jié)果。

總之,多壁碳納米管具有的線(xiàn)性度、可逆性、靈敏度以及溫度等方面的特性,適于作為傳感應(yīng)用,因此,利用它的壓阻效應(yīng)所進(jìn)行的應(yīng)用研究是可行的。

1.3 壓阻式碳納米管的應(yīng)用

對(duì)碳納米管壓阻效應(yīng)的研究在十年前就已開(kāi)展,但當(dāng)時(shí)還只是處于初期的探索性研究階段,很多特性并沒(méi)有研究透徹,所以其應(yīng)用性研究也未展開(kāi)。2004 年,Jain[23]發(fā)表的一篇討論碳納米管聚合物的文章提到了將碳納米管的壓阻效應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等相關(guān)領(lǐng)域的可能性,可視為對(duì)碳納米管壓阻性質(zhì)進(jìn)行的一個(gè)較早期的應(yīng)用性研究。之后,Kang[24]在博士論文中,也論述了利用碳納米管的壓阻效應(yīng)制成應(yīng)變傳感器,用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的可能性,并致力于這方面的研究工作[15,25-26]。

在壓力檢測(cè)方面,臺(tái)灣國(guó)立成功大學(xué)航空航天研究所微納科技中心的Gau[18]等人用聚酰亞胺-多壁碳納米管(PI-M WN T)聚合物作為傳感材料,加工制作出了微型壓力檢測(cè)系統(tǒng)。在對(duì)系統(tǒng)的線(xiàn)性度、可重復(fù)性和高低頻反應(yīng)靈敏性等各項(xiàng)傳感特性的測(cè)試研究中,均得到了滿(mǎn)意的性能特性曲線(xiàn),證實(shí)了系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的微壓力檢測(cè)領(lǐng)域中進(jìn)行應(yīng)用的可行性。

在轉(zhuǎn)速檢測(cè)方面,重慶大學(xué)的張毅[17]在對(duì)多壁碳納米管膜在高速轉(zhuǎn)動(dòng)下壓阻效應(yīng)的應(yīng)用研究中,發(fā)現(xiàn)隨著轉(zhuǎn)速的線(xiàn)性增加或減少,系統(tǒng)的電阻值也呈現(xiàn)出線(xiàn)性的變化規(guī)律,說(shuō)明其可在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)領(lǐng)域中進(jìn)行應(yīng)用。

在疲勞損傷監(jiān)測(cè)方面,加拿大肯考迪亞大學(xué)復(fù)合材料中心的Nofar[27]等人通過(guò)測(cè)量涂覆在復(fù)合材料表面的多壁碳納米管-玻璃纖維-環(huán)氧樹(shù)脂聚合物的電阻變化,來(lái)預(yù)測(cè)復(fù)合材料試驗(yàn)樣品的失效區(qū)域。在該研究試驗(yàn)中,制作了如圖3 所示3 種類(lèi)型的雙區(qū)域疲勞損傷監(jiān)測(cè)樣品。在進(jìn)行的周期疲勞測(cè)試試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),對(duì)殘余電阻變化率進(jìn)行觀(guān)察,能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出損傷位置。該研究試驗(yàn)說(shuō)明了碳納米管膜壓阻傳感器在復(fù)合材料損傷監(jiān)測(cè)中進(jìn)行應(yīng)用的可行性。同時(shí),在其分段式檢測(cè)方法中,傳感材料只布置于檢測(cè)區(qū)域中心,說(shuō)明碳納米管膜壓阻傳感器可檢測(cè)其所覆蓋材料周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的應(yīng)力變化情況。雖然國(guó)際上已有一些高校或研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了碳納米管壓阻性質(zhì)在疲勞損傷監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用研究工作,但是,其目前均還停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段,未有相關(guān)的工程應(yīng)用。

圖3 三種類(lèi)型的雙區(qū)域疲勞試驗(yàn)損傷監(jiān)測(cè)樣品

2 碳納米管壓阻傳感器在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用方法與試驗(yàn)

碳納米管的壓阻效應(yīng)用于復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是切實(shí)可行的,但針對(duì)不同的復(fù)合材料測(cè)量,還需設(shè)計(jì)詳細(xì)的研究方法和試驗(yàn)方案,包括原理方法、傳感器的布置和信號(hào)處理等環(huán)節(jié)。

2.1 在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用方法

將傳感器應(yīng)用于材料的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中主要有表面貼覆和嵌入式兩種方式,其中嵌入式中又包括埋入式、智能夾層和編織集成等方法。各種方法的適用場(chǎng)合因材料的加工工藝及其組成不同而有較大差異。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)也有其特殊的生產(chǎn)工藝,其中層合復(fù)合材料主要采用多層復(fù)合材料鋪層經(jīng)預(yù)浸后,加壓加溫固化而獲得,而編織復(fù)合材料則由機(jī)械或手工將纖維編織束編織,再經(jīng)固化而成。這些特殊的制造工藝允許功能器件在結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)制造過(guò)程中埋入結(jié)構(gòu)件。在本課題對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的應(yīng)用研究中,將主要針對(duì)較有應(yīng)用前景的碳纖維復(fù)合材料(CFRP)。這主要是因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料具有脆性,在疲勞后易發(fā)生脆裂,而且一旦出現(xiàn)裂紋就會(huì)很快擴(kuò)展,因此對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究更有現(xiàn)實(shí)意義。傳感器的應(yīng)用基于陣列式監(jiān)測(cè)原理,采用表面貼覆的方法。

本研究方案所采用的陣列式監(jiān)測(cè)原理[28],就是將各組性能基本相同的傳感器節(jié)點(diǎn)組成矩陣形式,每組傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)含有兩個(gè)并行排列的子傳感器,由于它們相互緊連著(中間用絕緣膠粘接),因此在進(jìn)行檢測(cè)應(yīng)用時(shí),所感測(cè)到的被測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變信號(hào)基本相同。兩個(gè)子傳感器中,一個(gè)用于列分布傳感,另一個(gè)用于行分布傳感。將按矩陣形式排列的各傳感器組內(nèi)的行列子傳感器分別用導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行連接后,就可通過(guò)對(duì)行、列信號(hào)進(jìn)行綜合分析,實(shí)現(xiàn)損傷的檢測(cè)和定位的目的。

而且壓阻傳感器不僅能對(duì)其直接覆蓋的區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè),還可對(duì)其周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的形變作出響應(yīng),因此,對(duì)傳感器的分布間距進(jìn)行合理設(shè)置后,就可使系統(tǒng)對(duì)覆蓋范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)應(yīng)變都能有很好的響應(yīng)和定位。

實(shí)際方案中,采用16 組碳納米管聚合物薄膜壓阻傳感器在復(fù)合材料表面組成4×4 矩陣形式(圖4)。對(duì)于大面型的檢測(cè)對(duì)象,如風(fēng)機(jī)葉片等,需要先對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行力學(xué)分析,尋找易受損部位進(jìn)行貼覆,避免傳感器的密集布置,最后進(jìn)行不同模式的受力測(cè)試和損傷檢測(cè)等試驗(yàn)研究。

圖4 陣列式傳感器分布組成圖

2.2 在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的試驗(yàn)研究

課題的試驗(yàn)研究工作主要包括對(duì)所制備的傳感材料進(jìn)行相關(guān)的性能測(cè)試,再將性能滿(mǎn)足要求的碳納米管聚合物薄膜壓阻傳感材料在碳纖維復(fù)合材料中用表面貼覆的方法進(jìn)行試驗(yàn)研究。同時(shí),還將對(duì)試驗(yàn)中所采集的具有不同狀態(tài)和特征的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)信號(hào)處理。

2.2.1 傳感材料制備及性能測(cè)試

在碳納米管聚合物薄膜的制備中,選用的多壁碳納米管管徑為3～10 nm。在將多壁碳納米管材料通過(guò)硝酸處理后,與聚甲基丙烯酸甲基(PMM A)進(jìn)行聚合。在進(jìn)行多壁碳納米管-聚甲基丙烯酸甲基的聚合時(shí),制作出多壁碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～10%的幾組不同薄膜樣品。后對(duì)各組樣品分別進(jìn)行性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。測(cè)試采用三點(diǎn)彎曲法[21],其原理和系統(tǒng)組成分別如圖5 和6 所示。圖5 中,碳納米管聚合物薄膜、環(huán)氧樹(shù)脂薄層和不銹鋼片的幾何尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)分別為30 mm ×8 mm ×200 μm,30 mm ×8 mm×80 μm 和120 mm ×8 mm×2 mm,電極材料為銀漿。

試驗(yàn)時(shí),用卡子將樣品固定后,用只與襯底保持單點(diǎn)接觸的螺旋測(cè)微計(jì)向襯底旋進(jìn)時(shí),襯底產(chǎn)生彎曲,形變量根據(jù)螺旋測(cè)微計(jì)讀出來(lái),并通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡傳到PC 機(jī), 作為應(yīng)力-電阻率坐標(biāo)圖的應(yīng)力參數(shù);系統(tǒng)中的電阻測(cè)量系統(tǒng)采用四探針測(cè)量?jī)x。測(cè)出電阻阻值后,在PC 機(jī)的軟件控制界面上繪制出應(yīng)力-電阻率關(guān)系坐標(biāo)曲線(xiàn)。在PC 機(jī)中,除將傳回的各類(lèi)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理進(jìn)行應(yīng)力-電阻率關(guān)系曲線(xiàn)的實(shí)時(shí)顯示外,還通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸出口對(duì)螺旋測(cè)微系統(tǒng)的動(dòng)作進(jìn)行控制。

之后,通過(guò)對(duì)聚合物薄膜樣品的應(yīng)力-電阻率變化關(guān)系曲線(xiàn)的研究分析,得出線(xiàn)性度和靈敏度方面具有最佳綜合性能的樣品參數(shù)組成,以在碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的研究試驗(yàn)中進(jìn)行應(yīng)用。

2.2.2 表面貼覆研究試驗(yàn)

表面貼覆的方法因具有系統(tǒng)組成方便、靈活,試驗(yàn)現(xiàn)象直觀(guān)等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于傳感材料的應(yīng)用研究試驗(yàn)中。而且本課題中所選用的研究對(duì)象——碳纖維復(fù)合材料也較適合進(jìn)行表面貼覆。

試驗(yàn)系統(tǒng)的整體構(gòu)成如圖7 所示,碳纖維復(fù)合材料層為厚度約5 mm 的矩形平面板,其上每個(gè)紅色方格代表一組碳納米管聚合物薄膜壓阻傳感器組,它由兩個(gè)相鄰的子傳感器組成,在復(fù)合材料表面共貼覆了32 個(gè)子傳感器。傳感薄膜與復(fù)合材料面板之間有一層粘結(jié)絕緣層,它主要是將傳感薄膜緊密地貼覆在材料表面,以使傳感薄膜能實(shí)時(shí)地檢測(cè)到被測(cè)材料的微小形變,同時(shí)也起到絕緣作用。進(jìn)行粘貼時(shí),必須使粘結(jié)絕緣層與復(fù)合材料面板及傳感薄膜之間起到很好的匹配作用,而不會(huì)使其在粘結(jié)部位產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致傳感薄膜發(fā)生失效破壞。連接導(dǎo)線(xiàn)需要有一定的松弛余量,以使被測(cè)材料結(jié)構(gòu)有更大的形變空間。系統(tǒng)的粘結(jié)絕緣材料用的是環(huán)氧樹(shù)脂制成的粘接劑,連接導(dǎo)線(xiàn)用的是銅。

圖7 傳感器系統(tǒng)的組成及分布

試驗(yàn)前,先將試驗(yàn)面板的四周用臺(tái)架進(jìn)行固定。試驗(yàn)時(shí),讓面板按特定方向及幅度進(jìn)行形變,形變類(lèi)型包括縱向扭曲、縱向彎曲及特定部位受力。圖7中的損傷由特定部位受力形變過(guò)度后材料發(fā)生脆裂而產(chǎn)生。

系統(tǒng)工作時(shí),首先得到V1 至V8 所對(duì)應(yīng)的壓阻阻值,再用灰度圖表示不同的阻值,根據(jù)灰度圖的分布判斷出損傷情況。上位機(jī)軟件除對(duì)材料面板的受力情況用灰度圖進(jìn)行顯示外,還具有對(duì)疲勞和損傷進(jìn)行報(bào)警、各傳感器組的電阻值隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及進(jìn)行其它方面的信號(hào)處理等功能。對(duì)于圖中的損傷,系統(tǒng)在掃描到V3 和V4 時(shí),檢測(cè)到它們的阻值均變大,而掃描到V5 和V6 時(shí),檢測(cè)到它們的阻值也均變大。因此,上位機(jī)軟件就可判斷出V3,V4,V5 和V6 所圍的區(qū)域內(nèi)有疲勞或損傷發(fā)生。而具體的疲勞程度或損傷大小則是通過(guò)對(duì)電阻值變化的大小進(jìn)行信號(hào)處理后來(lái)確定。在灰度圖里,V3,V4,V5 和V6 所圍區(qū)域就會(huì)顯示深色,具體顏色深度則取決于所計(jì)算出的電阻值。

但該方法也存在干擾較大,貼覆質(zhì)量可靠性較低,傳感薄膜易受損等問(wèn)題,系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)需針對(duì)傳感薄膜的有效粘貼、導(dǎo)線(xiàn)的有效連接等方面優(yōu)化設(shè)計(jì)、加工,盡量減少干擾;對(duì)于碳纖維復(fù)合材料面板的微小形變,系統(tǒng)可能檢測(cè)不到,因此對(duì)于材料初期的疲勞也就可能無(wú)法進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

2.2.3 信號(hào)處理

信號(hào)處理是試驗(yàn)系統(tǒng)軟件部分的核心。在該試驗(yàn)系統(tǒng)中,碳纖維復(fù)合材料面板上的陣列式碳納米管聚合物薄膜傳感器的電阻值隨面板受力形變的不同而產(chǎn)生相應(yīng)的變化。比如,對(duì)于特定部位的受力所產(chǎn)生的形變,受力部位附近傳感器的電阻值將因形變大小及與受力部位距離大小的不同而發(fā)生不同程度的變化;而對(duì)于縱向扭曲,扭曲的折痕處傳感器的電阻值也會(huì)較正常值不同,具體是變大還是變小,則取決于折痕是因拉伸還是因壓縮而產(chǎn)生的,變化的范圍則取決于形變程度。此外,傳感器所產(chǎn)生的是非標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)。針對(duì)這些情況,將主要從以下幾個(gè)方面對(duì)信號(hào)處理工作進(jìn)行展開(kāi)。

(1)數(shù)據(jù)的預(yù)處理 包括數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化,干擾噪聲的消除等。其中,數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化主要就是對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行I/V 轉(zhuǎn)換和放大處理;干擾噪聲的消除主要是對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行小波分析,以提取有用信號(hào),并對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行濾除,進(jìn)而使計(jì)算出的電阻值的誤差盡量小。

(2)特征提取和選擇 提取和選擇的方法就是系統(tǒng)通過(guò)對(duì)所檢測(cè)到的每個(gè)傳感器組電阻率的時(shí)間變化曲線(xiàn)中斜率的變化情況,來(lái)預(yù)測(cè)并判斷被測(cè)部位的受力和損傷趨勢(shì)。

(3)模式識(shí)別 與碳纖維復(fù)合材料疲勞或損傷相關(guān)的特征將用離散的變量表示,并組成矩陣。其中,模式代表的是不同的疲勞或損傷狀態(tài)及其類(lèi)型,如因結(jié)構(gòu)扭曲而產(chǎn)生的疲勞等。在處理中,把大量代表不同的正?；蚍菗p傷狀態(tài)的數(shù)據(jù)組成一個(gè)模板,新的數(shù)據(jù)組和模板只要和其進(jìn)行比較就可獲得損傷信號(hào)。模板的構(gòu)建主要用統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行。

3 總結(jié)及展望

本文總結(jié)了碳納米管的壓阻特性及其相關(guān)的應(yīng)用研究進(jìn)展,并給出了基于碳納米管壓阻效應(yīng)的聚合物薄膜傳感器在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中進(jìn)行應(yīng)用的試驗(yàn)研究方法和技術(shù)。下一步除對(duì)上述試驗(yàn)研究方法進(jìn)行系統(tǒng)性試驗(yàn)外,還將采用智能夾層方法對(duì)矩陣式監(jiān)測(cè)原理進(jìn)行應(yīng)用研究。同時(shí),還將針對(duì)傳感器在工程化應(yīng)用中所存在的相關(guān)問(wèn)題開(kāi)展工作,如實(shí)際環(huán)境因素比實(shí)驗(yàn)室要復(fù)雜很多,因此如何在惡劣環(huán)境下對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的信號(hào)傳輸導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行排布,并保證其連接質(zhì)量;如何在眾多更加嚴(yán)重的干擾中對(duì)微小應(yīng)力或形變信號(hào)進(jìn)行有效提取;如何解決結(jié)構(gòu)的過(guò)應(yīng)力、過(guò)形變對(duì)傳感器性能造成的不可恢復(fù)性破壞等。相信隨著研究的推進(jìn),碳納米管聚合物薄膜壓阻傳感器在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的工程化應(yīng)用能很快實(shí)現(xiàn)。

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