基于嵌入式纳米传感技术的FRP全生命周期健康监测及风险分析研究
发布时间：2020-12-15 06:43
伴随纤维增强复合材料(fiber reinforced polymeric composites,FRPs)在航空航天、土木工程、特种设备等多个重要领域的飞速发展,其引发的安全问题也备受关注。源自结构内部的缺陷与损伤一旦转化为事故,便很容易造成大规模的群死群伤,后果不堪设想。因此,时刻掌握复合材料的运行状态不可或缺。结构健康监测(structural health monitoring,SHM)的应运而生解决了该困扰。它以智能前沿的传感技术为核心,在实时监测诊断复材健康状态及量化识别结构缺陷损伤两端均发挥着重要作用。近年来,碳纳米传感研究的不断涌现也为持续优化SHM带来了良好契机。在此背景下,本文利用先进的嵌入式碳纳米传感策略创新建立了一种可满足FRP复合材料全生命周期的SHM技术,并基于此新技术开发出复材失效风险的动态分析评估手段。在强化提升复材装备设施风险管控方法的同时,进一步优化完善了SHM对维护复材健康安全的系统保障机制。主要内容如下:(1)嵌入式碳纳米纤维传感器使能的结构健康监测技术研究。结合高效的连续加工及一体化成型工艺,通过在复材制造阶段将碳纳米涂层纤维传感器无损地编织集...
【文章来源】：中国地质大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
结构健康监测(SHM)技术的主要作用(卿新林,2012)
近年来,多种传感技术已被用于研究高性能复合材料(FRPs)在生命周期不同阶段的健康状态监测。具有代表性地,光纤光栅(Archer et al.,2014;Marin et al.,2012;Palumbo,2019)、直流电阻测量(Luthy and Ermanni,2003)、介电分析(Martin et al.,2019;Moghaddam et al.,2016)、时域反射(Pandey et al.,2013)、温度(Tuncol et al.,2007)及压力感应(Claudio et al.,2013)可用来监测复材加工成型阶段树脂的浸润与固化;金属应变片(Dally and Sanford,1987;Qureshi et al.,2019)、压电(Qing et al.,2006;Tuloup et al.,2019)、超声导波(Mitra and Gopalakrishnan,2016;Purekar and Pines,2010)、声发射(Zhou et al.,2014;卢萍,2010)及磁致伸缩(Kannan et al.,2007)传感器则能够识别复材服役使用阶段的受力状态与裂纹损伤。虽然这些技术已经相对成熟(图1-2),但却存在着缺陷引入、质量增加、装卸困难、布线复杂、价格昂贵、精度限制、界面随形等多方面的局限,难以满足大规模的工程应用需求(Antonucci et al.,2006;Lu et al.,2019;Schubel et al.,2013;Tuloup et al.,2019;丁克勤,2015)。(3)基于碳纳米传感技术的复合材料结构健康监测方法
“二维贴面式”是早期比较常用的传感方式(图1-3)。Li和Kang等人率先运用真空抽滤技术将CNT过滤沉积制备成导电的buckypaper(碳纳米管纸),通过使其贴附在有机玻璃基体表面来研究静、动态负载下的压阻效应(Kang et al.,2006;Li et al.,2004)。在此良好基础上,卢少微将喷涂工艺与抽滤技术结合,进一步研制出了具有更高压阻灵敏度的二维CNT纸质传感器(Lu et al.,2016;卢少微,2015)。除典型的buckypaper外,通过将利用CNT薄膜(Luo and Liu,2013)、CNT/聚合物混合膜(Makireddi et al.,2015)及石墨烯带(Huang et al.,2011)制备而成的二维传感器附着在FRP结构表面或层间也能有效监测复材的受力变形与固化成型过程。如朱永凯等人就利用CNT聚合物薄膜实现了对复材弯曲形变的规模化监控(朱永凯,2010)。尽管二维的碳纳米传感技术在敏感性方面具备一定优势,但有限且固定的尺寸决定了它很难精确监测到复合材料某一局部区域的健康状态。于是,“三维共混式”复材传感器就此诞生(图1-4)。Thostenson和Gao等人为此做出了重要的贡献。他们先后提出了将CNT与(环氧)树脂基体充分混合能够直接识别诊断复合材料结构损伤的原位传感策略(Gao et al.,2009;Gao et al.,2011;Thostenson and Chou,2006)。随后,顺应此思路,学者们将剥落的石墨烯粉末分散在树脂基体中制备成三维纳米复合材料,也成功地检测出FRP在不同形变下的裂纹和失效模式(Gnidakouong et al.,2016)。虽然,三维的传感方式一定程度上克服了二维传感器监测范围不足的劣势,但也有多位研究人员指出了它的缺陷:①碳纳米材料的自团聚倾向使得它们很难和树脂基体均匀混合;②混合后的碳纳米/树脂混合液增加了基体的粘度,影响复合材料的加工成型质量;③在树脂中加入其它物质会彻底改变原有的微观结构,我们难以确定碳纳米材料是否会提升或削弱复材最终的力学性能(Chen et al.,2007;Dai et al.,2015)。
【参考文献】：
期刊论文
[1]纤维增强树脂基复合材料增材制造技术与装备研究[J]. 单忠德,范聪泽,孙启利,战丽. 中国机械工程. 2020(02)
[2]石墨烯/碳纳米管嵌入式纤维传感器对树脂基复合材料原位监测的结构-性能关系对比[J]. 徐鹏,王冠韬,刘奎,罗斯达. 材料工程. 2019(09)
[3]纤维增强复合材料及其结构研究进展[J]. 刘伟庆,方海,方园. 建筑结构学报. 2019(04)
[4]Interface microstructure and bond strength of 1420/7B04 composite sheets prepared by diffusion bonding[J]. Fan Wu,Wen-Long Zhou,Bing Zhao,Hong-Liang Hou. Rare Metals. 2018(07)
[5]复合材料结构损伤识别与健康监测展望[J]. 陈雪峰,杨志勃,田绍华,孙瑜,孙若斌,左浩,许才彬. 振动.测试与诊断. 2018(01)
[6]基于风险分级的道路限速设计方法研究[J]. 戴英,罗云,裴晶晶,高聿德. 中国安全生产科学技术. 2017(08)
[7]中国射线检测技术现状及研究进展[J]. 邬冠华,熊鸿建. 仪器仪表学报. 2016(08)
[8]嵌入碳纳米线的三维编织复合材料损伤监测[J]. 郭建民,万振凯. 纺织学报. 2016(04)
[9]电镀企业环境安全风险现状评价技术探讨[J]. 黄西菲,罗云. 工业安全与环保. 2016(03)
[10]复合材料连接结构健康监测技术研究进展[J]. 王奕首,卿新林. 复合材料学报. 2016(01)
本文编号：2917839
【文章来源】：中国地质大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
结构健康监测(SHM)技术的主要作用(卿新林,2012)
近年来,多种传感技术已被用于研究高性能复合材料(FRPs)在生命周期不同阶段的健康状态监测。具有代表性地,光纤光栅(Archer et al.,2014;Marin et al.,2012;Palumbo,2019)、直流电阻测量(Luthy and Ermanni,2003)、介电分析(Martin et al.,2019;Moghaddam et al.,2016)、时域反射(Pandey et al.,2013)、温度(Tuncol et al.,2007)及压力感应(Claudio et al.,2013)可用来监测复材加工成型阶段树脂的浸润与固化;金属应变片(Dally and Sanford,1987;Qureshi et al.,2019)、压电(Qing et al.,2006;Tuloup et al.,2019)、超声导波(Mitra and Gopalakrishnan,2016;Purekar and Pines,2010)、声发射(Zhou et al.,2014;卢萍,2010)及磁致伸缩(Kannan et al.,2007)传感器则能够识别复材服役使用阶段的受力状态与裂纹损伤。虽然这些技术已经相对成熟(图1-2),但却存在着缺陷引入、质量增加、装卸困难、布线复杂、价格昂贵、精度限制、界面随形等多方面的局限,难以满足大规模的工程应用需求(Antonucci et al.,2006;Lu et al.,2019;Schubel et al.,2013;Tuloup et al.,2019;丁克勤,2015)。(3)基于碳纳米传感技术的复合材料结构健康监测方法
“二维贴面式”是早期比较常用的传感方式(图1-3)。Li和Kang等人率先运用真空抽滤技术将CNT过滤沉积制备成导电的buckypaper(碳纳米管纸),通过使其贴附在有机玻璃基体表面来研究静、动态负载下的压阻效应(Kang et al.,2006;Li et al.,2004)。在此良好基础上,卢少微将喷涂工艺与抽滤技术结合,进一步研制出了具有更高压阻灵敏度的二维CNT纸质传感器(Lu et al.,2016;卢少微,2015)。除典型的buckypaper外,通过将利用CNT薄膜(Luo and Liu,2013)、CNT/聚合物混合膜(Makireddi et al.,2015)及石墨烯带(Huang et al.,2011)制备而成的二维传感器附着在FRP结构表面或层间也能有效监测复材的受力变形与固化成型过程。如朱永凯等人就利用CNT聚合物薄膜实现了对复材弯曲形变的规模化监控(朱永凯,2010)。尽管二维的碳纳米传感技术在敏感性方面具备一定优势,但有限且固定的尺寸决定了它很难精确监测到复合材料某一局部区域的健康状态。于是,“三维共混式”复材传感器就此诞生(图1-4)。Thostenson和Gao等人为此做出了重要的贡献。他们先后提出了将CNT与(环氧)树脂基体充分混合能够直接识别诊断复合材料结构损伤的原位传感策略(Gao et al.,2009;Gao et al.,2011;Thostenson and Chou,2006)。随后,顺应此思路,学者们将剥落的石墨烯粉末分散在树脂基体中制备成三维纳米复合材料,也成功地检测出FRP在不同形变下的裂纹和失效模式(Gnidakouong et al.,2016)。虽然,三维的传感方式一定程度上克服了二维传感器监测范围不足的劣势,但也有多位研究人员指出了它的缺陷:①碳纳米材料的自团聚倾向使得它们很难和树脂基体均匀混合;②混合后的碳纳米/树脂混合液增加了基体的粘度,影响复合材料的加工成型质量;③在树脂中加入其它物质会彻底改变原有的微观结构,我们难以确定碳纳米材料是否会提升或削弱复材最终的力学性能(Chen et al.,2007;Dai et al.,2015)。
【参考文献】：
期刊论文
[1]纤维增强树脂基复合材料增材制造技术与装备研究[J]. 单忠德,范聪泽,孙启利,战丽. 中国机械工程. 2020(02)
[2]石墨烯/碳纳米管嵌入式纤维传感器对树脂基复合材料原位监测的结构-性能关系对比[J]. 徐鹏,王冠韬,刘奎,罗斯达. 材料工程. 2019(09)
[3]纤维增强复合材料及其结构研究进展[J]. 刘伟庆,方海,方园. 建筑结构学报. 2019(04)
[4]Interface microstructure and bond strength of 1420/7B04 composite sheets prepared by diffusion bonding[J]. Fan Wu,Wen-Long Zhou,Bing Zhao,Hong-Liang Hou. Rare Metals. 2018(07)
[5]复合材料结构损伤识别与健康监测展望[J]. 陈雪峰,杨志勃,田绍华,孙瑜,孙若斌,左浩,许才彬. 振动.测试与诊断. 2018(01)
[6]基于风险分级的道路限速设计方法研究[J]. 戴英,罗云,裴晶晶,高聿德. 中国安全生产科学技术. 2017(08)
[7]中国射线检测技术现状及研究进展[J]. 邬冠华,熊鸿建. 仪器仪表学报. 2016(08)
[8]嵌入碳纳米线的三维编织复合材料损伤监测[J]. 郭建民,万振凯. 纺织学报. 2016(04)
[9]电镀企业环境安全风险现状评价技术探讨[J]. 黄西菲,罗云. 工业安全与环保. 2016(03)
[10]复合材料连接结构健康监测技术研究进展[J]. 王奕首,卿新林. 复合材料学报. 2016(01)
本文编号：2917839
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