本发明专利技术公开了一种用于复合材料的可编织电阻式传感器及其加工方法。所述电阻传感器由玻璃纤维束和CNT涂层组成，通过浸涂工艺将所述CNT涂层与所述玻璃纤维束结合在一起，形成所述的可编织电阻传感器。所述加工方法包括三个步骤：CNT涂层与玻璃纤维束的结合、CNT涂层纤维与纤维织布的编制、基于纤维织布的复合材料成型。所述传感器可以提供精确、定量的传感信号来监测复合材料制造阶段的各种物理化学状态，包括树脂的流向、树脂前端位置、凝胶时间、以及任意时刻的固化程度和固化速率；通过在织物中编织多个传感器，可以实现对复合材料大面积的覆盖和监测；所述传感器还可以在复材的服役阶段提供各种应变以及破坏模式的监测。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于信号自动传感
，具体涉及一种用于复合材料的可编织电阻传感器及其加工方法，所述传感器可用于监测复合材料结构的健康状况。
技术介绍
纤维增强树脂基复合材料（Fiber Reinforced Polymer/Plastic，FRPs）在民用、军用飞机、喷气发动机、风力发电叶片和油气输送管道等各种应用领域已作为重要结构材料使用。近十年，国内外研究和开发了具备自我感知、识别、量化和确定自身健康状态的新型FRPs。现阶段，不同传感技术或方法可在FRPs生命周期的不同阶段对其进行结构健康监测（Structural Health Monitoring, SHM）。例如，智能织物（SMARTweave）、光纤、时域反射仪（Time-Domain Reflectometry，TDR）、温度计、超声、压力传感器可以在FRPs的制造阶段对树脂的注入和固化进行监测。同样，光纤、涡流、压电和磁致伸缩传感器在FRPs的服役阶段可以测量其形变和裂纹。与上述传统方法相比，基于原位结构健康检测的碳纳米管（Carbon Nanotube，CNTs）技术凭借其优异的机械鲁棒性、非侵入性、嵌入一致性、轻质、易制造、低成本以及非常高的压阻灵敏度等特性吸引了相当多的关注。我们对不同类型的碳纳米管传感器进行了探索，其中包括，连接纤维与树脂界面的一维CNT传感器、CNT薄膜或巴基纸（buckypaper）组成的二维传感器，或通过CNT直接分布在树脂基体中形成的三维传感器。在大多数情况下，CNT传感器的工作原理是CNT网络结构中的隧道电阻会随外界的扰动作用而产生变化。因此CNT传感器具有监测复合材料不同机械形变、裂纹和失效模式的能力。然而，现阶段用于复合材料的CNT传感技术主要集中在监测FRPs服役阶段的健康状态，而忽视了在线监测复合材料制造阶段树脂状态的重要性。由于纤维预制件的复杂性，树脂浸润通常是不均匀的，并且很难预测其流动状态。这就可能会产生如干燥点这样的复材结构内部缺陷。另外，树脂的固化也非常容易随工艺和制造条件而发生变化。如果缺乏在线的过程监控，这些问题将对最终成型的复合材料的力学特性造成负面影响，甚至大幅度降低成品率。为了解决上述问题，张等人用电泳法制备了CNT镀膜玻璃纤维束，用于检测环氧树脂的固化过程。利用CNT和石墨纳米片（GNP）薄膜的独特多孔结构，我们之前专利技术了基于CNT与GNP薄膜的纤维传感器来现场监测玻璃纤维束预浸料成型过程中树脂的收缩和固化过程。虽然现在已经取得了一定进展，但仍缺少一套高度敏感的、可靠的和可扩展的用于大面积监测复合材料加工阶段的传感技术。
技术实现思路
为了填补用于大面积监测复合材料加工阶段的高度敏感、可靠和可扩展的传感技术的空白，本专利技术提供一种用于复合材料的可编织电阻传感器及其加工方法。所述传感器具有柔性和可扩展性，可以特定的方式与复材的增强织物共同编织在一起形成复材的智能增强织物。并且，它可以通过复材工业常用的真空辅助树脂传递模塑（Vacuum assisted resin transfer molding，VARTM）技术与复合材料结构-功能一体化。所述可编织电阻传感器的最大特点是可以提供精确、定量的传感信号来监测复合材料制造阶段的各种状态，包括树脂的流向、树脂前端位置、凝胶时间、以及任意时刻的固化程度和固化速率。通过内置多个可编织电阻传感器，可以实现对复合材料大面积的覆盖和监测。所述可编织电阻传感器还可以在复材的服役阶段提供各种应变以及破坏模式的监测。为实现上述目标，本专利技术采用以下技术方案：一种用于复合材料的可编织电阻传感器，所述电阻传感器由玻璃纤维束和CNT涂层组成，所述玻璃纤维束是所述传感器的载体，所述CNT涂层是所述传感器的本体，通过浸涂工艺将所述CNT涂层与所述玻璃纤维束结合在一起，形成所述的可编织电阻传感器。一种用于复合材料的可编织电阻传感器加工方法，主要包括三个步骤：1）CNT涂层与玻璃纤维束的结合；2）CNT涂层纤维与纤维织布的编制；3）基于纤维织布的复合材料成型。所述步骤1）是通过一套连续卷对卷的加工方法来实现的。该加工方法需要一套牵引设备，所述牵引设备包括一个电脑可控的步进电机和一系列滑轮。工作过程是：通过步进电机和滑轮组将纤维束顺次传送经过CNT分散液、水域和加热站，从而完成CNT涂层纤维的制备。所述电脑可控步进电机的速度固定在1厘米/分钟。所述CNT分散液由0.05%质量分数的多壁碳管、2.5%质量分数的Triton X-100以及水溶液组成。所述水域是指去离子水，用于去除大部分表面活性剂Triton X-100。所述加热站的温度控制在200°C，用于干燥。干燥后的CNT涂层对比普通玻璃纤维束具有很明显的黑色。扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）照片、拉曼光谱以及能量弥散X射线光谱的对比结果均表明CNT涂层与玻璃纤维束基体的结合良好。所述步骤2）中，通过手工编织或机器编织的方式，将所述步骤1）制得的CNT涂层纤维编织到用于制造复合材料的纤维织布中。这种具有CNT涂层纤维的织布与其它普通织布叠层放置共同形成复合材料的纤维增强物。所述步骤3）中，首先，将所述步骤2）中制得的纤维增强物放置到真空袋中；然后，通过真空辅助树脂传递模塑（VARTM）技术将树脂与MEKP固化剂的混合物引入真空袋中并浸润预先放置好的纤维增强物。所述树脂包括聚酯树脂、环氧树脂、双马树脂、乙烯基树脂中的任意一种。在VARTM过程中，利用已编织的纤维传感器来实时采集自身电阻信号，可分析复合材料在线加工过程中树脂注入以及固化的定量信息。固化成型之后，嵌入于复材薄层结构中的纤维传感器同样可以根据自身的压阻效应来监测和判断复材结构受到的各种形变以及不同的破坏模式。本专利技术的优点和有益效果为：1）所述可编织电阻传感器可以提供精确、定量的传感信号来监测复合材料制造阶段的各种状态，包括树脂的流向、树脂前端位置、凝胶时间、以及任意时刻的固化程度和固化速率；2）所述可编织电阻传感器还可以在复材的服役阶段提供各种应变以及破坏模式的监测。3）所述传感器在长度上可以延伸，并且多个传感器的组合可以在空间上形成传感网络来大面积覆盖复合材料；4）所述传感器在成本上也非常便宜。根据质量测试比较，纤维传感器的CNT涂层只有不到0.5%的质量分数，结合多壁碳纳米管（MWCNT，multi-walled carbon nanotube）的平均市场价（大约1美元/每克）和玻璃纤维束（E-glass）的平均市场价，我们估计每100米的纤维传感器的成本价格大约是1.5美元（大约10元人民币）。具体实施方式实施例一种用于复合材料的可编织电阻传感器，所述电阻传感器由玻璃纤维束和CNT涂层组成，所述玻璃纤维束是所述传感器的载体，所述CNT涂层是所述传感器的本体，通过浸涂工艺将所述CNT涂层与所述玻璃纤维束结合在一起，形成所述的可编织电阻传感器。一种用于复合材料的可编织电阻传感器加工方法，主要包括三个步骤：1）CNT涂层与玻璃纤维束的结合；2）CNT涂层纤维与纤维织布的编制；3）基于纤维织布的复合材料成型。所述步骤1）是通过一套连续卷对卷的加工方法来实现的。该加工方法需要一套牵引设备，所述牵引设备本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于复合材料的可编织电阻传感器，其特征在于：所述电阻传感器由玻璃纤维束和CNT涂层组成，所述玻璃纤维束是所述传感器的载体，所述CNT涂层是所述传感器的本体，通过浸涂工艺将所述CNT涂层与所述玻璃纤维束结合在一起，形成所述的可编织电阻传感器。
【技术特征摘要】
1.一种用于复合材料的可编织电阻传感器，其特征在于：所述电阻传感器由玻璃纤维束和CNT涂层组成，所述玻璃纤维束是所述传感器的载体，所述CNT涂层是所述传感器的本体，通过浸涂工艺将所述CNT涂层与所述玻璃纤维束结合在一起，形成所述的可编织电阻传感器。2.合材料的可编织电阻传感器加工方法，其特征在于：所述加工方法包括三个步骤：1）CNT涂层与玻璃纤维束的结合；2）含CNT涂层纤维的纤维织布的编制；3）基于纤维织布的复合材料成型。3.利要求2所述的一种用于复合材料的可编织电阻传感器加工方法，其特征在于：所述步骤1）是通过一套连续卷对卷的加工方法来实现的，该加工方法需要一套牵引设备，所述牵引设备包括一个电脑可控的步进电机和一系列滑轮，工作过程是：通过步进电机和滑轮组将玻璃纤维束分别顺次传送经过CNT分散液、水域和加热站，从而完成制造CNT涂层纤维的制备。4.利要求2或3所述的一种用于复合材料的可编织电阻传感器加工方法，其特征在于：所述电脑可控步进电机的速度固定在1厘米/分钟。5.权利要求2或3所述的一种用于复合材料的可编织电阻传感...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗斯达，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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