基于光修复技术的智能结构自愈伤方法与健康监测系统技术方案

本发明专利技术所述的智能结构自愈伤方法与健康监测系统是利用太阳光能和光固化技术实现复合材料损伤自愈合，同时基于神经网络和数字信号处理技术实现健康监测的一种全新的智能结构自修复与自诊断方法。本发明专利技术以光固化粘结剂作为光固化修复剂，将其置于涂覆有光屏蔽剂和偶联剂的空芯纤维中，在材料出现裂纹时，处于裂纹扩展前沿的纤维断裂，光固化修复剂渗透至损伤裂纹中，采用太阳光作为补给能源，实现材料损伤自愈合；同时，采用光纤传感器作为信号传输与传感元件，结合数字信号处理技术，实现智能结构的状态健康监测。本发明专利技术具有实用性强、成本低、环保节能等特点，为实现复合材料构件的自愈伤和健康监测提供了有效的解决方案。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术所述的一种新型的基于光修复技术的智能结构自愈伤方法与健康监测系统，结合 光固化技术、光纤传感技术、复合材料结构力学和数字信号处理等技术，利用太阳光能实现 了复合材料的自愈伤，并结合祌经网络和数字信号处理技术实现了复合材料结构的健康监测， 属于一种全新的智能结构自修复与自诊断。尤其本专利技术提出的以太阳光作为能量补给，光固 化修复剂作为物质补给的材料自愈伤解决方案，为复合材料构件更安全广泛的使用提供了一 种实用性强、成本低、环保节能的有效途径。
技术介绍
广泛应用于航空航天领域的复合材料由于其组分的多样性和复杂性，在制造加工成型以 及使用过程中，其表面和内部不可避免的会出现各类缺陷和损伤，尤其，微裂纹损伤的产生 和扩展将引起材料整体性能的下降，导致构件失效，减短材料的使用寿命，严重时则会带来 灾难性的后果。20世纪80年代末，美国和日本科学家将仿生学融入复合材料的研究中，提出了智能结构 的新概念。智能结构是指从仿生学的观点设计和制造复合材料，使材料具有感知和自修复的 功能。目前，具有自诊断、自修复功能的智能自修复材料已成为新材料领域的研究重点之一， 自修复的核心是能量补给和物质补给，其过程由生长活性因子来完成。模仿生物体损伤愈合 的原理，使得复合材料对内部或者外部损伤能够进行自修复，从而消除隐患，增强材料的机 械强度，延长使用寿命。目前，国内外在复合材料健康监测与诊断方面已开展了大量的研究工作，并取得一些成 果，方法主要是在材料内埋置传感器阵列，在线诊断结构在加工、固化、成形及由于外力、 疲劳等产生的变形、裂纹损伤等。然而，对于智能复合材料损伤自修复方面的研究还处于起 步阶段。目前，研究使用的方法主要有热可逆交联反应法、液芯纤维法和微胶囊法。热可 逆交联反应法主要通过加热的方式来实现损伤修复，这将损害材料的其他性能，例如引起晶 粒长大等，并且修复速度慢，工艺复杂，不利于智能结构的应用和发展。液芯纤维法和微胶 囊法是指在智能复合材料基体中埋入包含修复剂的纤维或微胶囊，在复合材料内部形成智能 型仿生自修复网络，当复合材料出现裂纹时，部分液芯纤维或微胶囊破裂，修复剂流出并渗 入裂缝，使受损区域愈合以实现自修复功能。现有的文献资料所使用的修复剂均为双组分胶 粘剂，设计中将修复剂和催化剂分别置于纤维(或胶囊)和复合材料基体内，在纤维(或胶 囊)破裂后，要保证修复剂能接触到催化剂，则催化剂在复合材料基体中的分散密度必须足 够大。因此，催化剂的使用效率很低，且较大的催化剂浓度对智能复合材料的性能也有一定 影响。因此，无论是修复方法还是修复材料，都有很大的研究发展空间，存在很多问题有待 解决。
技术实现思路
鉴于上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的是研制一种具有快速自愈伤和实时在线健 康监测功能的智能结构。所提出的利用太阳光实现复合材料自愈伤的光修复智能结构，分别 采用单组份光固化粘结剂和修复强化纤维作为光固化修复剂和修复剂载体，改变了目前使用 双组份粘结剂和微胶囊进行材料损伤修补的不足，使用双组分粘结剂实现材料自修复，必须 依赖于组分之间的接触和反应，这样必然降低了修复的可靠性，同时也限制了损伤的可修复 区域，采用单组份光固化粘结剂不仅解决了这一问题，而且还能充分显现光固化粘结剂固化 速度快，可"适时固化"的特点，使所研制的智能结构的自愈伤过程独立于控制系统，具有 "自发"和"本能"的类生物体特征。本专利技术同时采用正交分布的方式将光纤粘附于智能结构表面形成传感网络，用于感应和 传递结构的形变和损伤信息，通过光电转换和放大电路将光信号转换为电信号，再将电信号 传输给数字信号处理器，最后将经过数字滤波的信号传输给监控主机，在监控主机内通过神 经网络算法实现材料结构的健康状态监测。1、 技术问题本专利技术要解决的第一个技术问题是基于光修复技术的智能结构自愈伤方法的研究和实 现，其中主要包括-(1) 光固化修复剂的制备本专利技术提出的智能结构光修复方法，是以太阳光作为能量补给，光固化修复剂作为物质 补给，因此作为修复剂的光固化粘接剂，其性能对复合材料结构自愈伤效果将产生直接的影 响。为满足智能结构自愈伤的光修复要求，需要研制一种固化速度快、粘度低、与复合材料 具有良好粘接强度的光固化粘结剂，为材料自愈伤提供物质补给；(2) 修复强化纤维涂层的制备与埋置 修复强化纤维作为光固化修复剂的载体， 一方面要保证处于纤维内部的光固化修复剂不发生光固化反应，另一方面要保证纤维与基体具有良好的兼容性，为达到这一要求必须对纤 维涂层及其埋置体积比进行研究。本专利技术要解决的第二个技术问题是智能结构健康监测系统的研究和实现，其中主要包括:(1) 传感网络、信号传输及处理模块 智能结构健康监测系统的传感网络与信号传输及处理模块涉及光纤传感网络，光电转换和放大电路，数字信号处理器和SCI—PC通信接口电路的设计。由光纤传感网络采集的携带 结构状态信息的光信号，必须通过光电转换后变成电信号，并经过放大电路，输入数字信号 处理器，再经过SCI—PC通信接口传送至损伤定位模块；(2) 损伤定位模块包含智能复合结构状态信息的信号在滤波后，经SCI-PC通信接口，传送至损伤定位模块， 损伤定位模块采用数学模型与算法对信号进行处理，实现结构的健康监测，并在结构出现损 伤时，判断损伤位置，进行预警。如何完成损伤位置的定位，是健康监测的研究重点。2、 技术方案为了解决上述的技术问题，本专利技术采用了以下技术方案(1) 技术方案1:研制一种光固化粘结剂使其能够作为智能结构自愈伤的光固化修复剂。 确定光固化修复剂的成份，其成份影响了光固化修复剂的固化性能、粘结强度及粘度等，从 而决定了其用于智能复合材料自修复的可行性，具体包括下列步骤步骤一配制光固化修复剂的预聚物——环氧丙烯酸酯，它是采用环氧树脂和丙烯酸在 催化剂的作用下反应制得的，制备过程中，釆用监测反应物酸值和粘度的方法选择和控制合 理的反应时间和反应温度，以获得低粘度的预聚物，从而降低光固化修复剂的粘度；步骤二配制光固化修复剂的光引发剂体系，光引发剂决定着引发光固化反应的波长和 引发的效率，是固化反应速度的主要影响因素。本步骤中，通过对多种高效的光引发剂的吸 收光谱研究，分析计算了它们的量子效率，并根据太阳光的光谱特征，选择和配制了与太阳 光谱特征相匹配的复合光引发剂体系；步骤三确定光固化修复剂的成份(预聚物、活性稀释剂和光引发剂)的配比，调整各 个组分的配比，对比各种配比下的光固化修复剂的固化速度、硬度、粘度等性能，选择性能 优异的配比作为制备光固化修复剂的方案。(2) 技术方案2:修复强化纤维涂层的制备与埋置。具体包括下列步骤步骤一选择光屏蔽剂。修复强化纤维涂层的功能之一是屏蔽和吸收光辐射，抑制光能 对光固化修复剂的直接作用。目前，使用光屏蔽剂制备涂层，是防止聚合物直接受光辐射的 最有效方法。光屏蔽剂能吸收或反射有害光能，并在产生破坏自身光稳定结构的不可逆光化 学反应前，以无害的形式把激发态的能量释放；步骤二选择偶联剂。聚合物基复合材料的基体是有机高分子材料，为提高修复强化纤 维与基体的兼容性。研究采用偶联剂对两者的界面进行改善，并采用三点弯曲实验法，检验 界面的性能，选择合适的埋置体积比。(3) 技术方案3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光修复技术的智能结构自愈伤方法，其特征在于，包括下列步骤：　第一步骤：光固化修复剂制备步骤，采用单组份光固化粘结剂作为光固化修复剂，单组份光固化粘结剂的成份主要包括：预聚物、光引发剂和活性稀释剂，所述单组份光固化粘结剂的成份决 定了所制备的光固化修复剂的固化速度、粘结强度及粘度；　第二步骤：修复强化纤维涂层的制备与埋置，作为光固化修复剂的载体，按照一定的体积比埋入材料内部，并采用光屏蔽剂和偶联剂对其进行表面处理，光屏蔽剂可以保证纤维内部的光固化修复剂不发生光 固化反应，而偶联剂可提高纤维与基体之间的界面性能，使纤维与基体具有良好的兼容性，本步骤采用炭黑作为光屏蔽剂，ＫＨ５６０（γ－缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷）作为偶联剂，制备修复强化纤维的表面涂层，并按照１５％的体积比作为纤维的埋置量。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵志敏，李鹏，俞晓磊，洪小芹，陈玉明，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]