损伤感测复合结构制造技术

复合材料包括基体材料和布置在部分基体材料中的并入碳纳米管的纤维的单向阵列。制品包括该复合材料和布置在复合材料外围的电极网络。电极发送和接收电荷。这种制品与感测电路和向电极网络提供电流的电源一起包括在系统中。这种系统用在一种方法中，所述方法包括使制品受到负荷，该负荷造成复合材料中的状况，包括应变、疲劳、损伤或裂纹；并监测所述状况的位置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及纤维材料，更具体地涉及复合材料中的纤维材料。
技术介绍
在结构应用中使用的复合材料容易遭受内部损坏，其可导致灾难性故障。不使用专门设备难以识别复合结构中裂纹的开始与扩展(作为高应力、冲撞或疲劳的结果)。在识别复合材料完整性对于系统操作重要的各种应用中，开发监测复合结构的原位损伤的方法是有益的。本专利技术满足了该需要并也提供了相关优点。
技术实现思路
在一些方面，本文公开的实施方式涉及复合材料，其包括a)基体材料；和b)布置在至少部分基体材料中的并入碳纳米管(CNT)的纤维的第一单向阵列。在一些方面，本文公开的实施方式涉及制品，其包括a)复合材料和b)布置在复合材料外围、用于发送和接收电荷的电极网络，复合材料包括i)基体材料4Pii)布置在至少部分基体材料中的并入碳纳米管(CNT)的纤维的第一单向阵列。在一些方面，本文公开的实施方式涉及系统，其包括A)制品，制品包括i)复合材料和ii)布置在复合材料外围、用于发送和接收电荷的电极网络，复合材料具有a)基体材料；和《布置在至少部分基体材料中的并入碳纳米管(CNT)的纤维的第一单向阵列；B)连接至电极网络、用于探测复合材料上电阻变化的感测电路；和C)向所述电极网络提供电流的电源。在一些方面，本文公开的实施方式涉及方法，其包括I)提供系统，系统包括A)制品，所述制品包括i)复合材料和ii)布置在复合材料外围、用于发送和接收电荷的电极网络，复合材料包括基体材料、布置在至少部分基体材料中的并入碳纳米管(CNT)的纤维的第一单向阵列；B)连接至电极网络、用于探测复合材料上电阻变化的感测电路；和C)向电极网络提供电流的电源；2)使制品遭受负荷，该负荷产生选自应变、疲劳、损伤和裂纹的复合材料中状况；和3)监测状况的位置。附图简述图IA显示在具有并入CNT的纤维的未受力复合材料中的多个信号渗透通路。图IB显示由于机械变形的应变引起的图IA的复合材料中渗透通路的减少。图2A显示复合材料“表层(skin) ”的示例性结构，其具有单向的并入CNT的纤维的4个堆叠复合材料层。中间两层的并入CNT的纤维的方向相对于外面两层90度放置。图2B显示制造的原型“表层”，其具有显示在图2A中的层结构。并入CNT的纤维是玻璃纤维。该“表层”配备多个电极，其允许测量复合结构上的电阻变化。图3A显示图2B原型的侧视图。图3B显示图2B/3A原型的一层单向排列的并入CNT的纤维横截面的扫描电子显微照片。复合材料的并入CNT的纤维之间的空隙空间填充有环氧树脂基体材料。并入CNT的纤维是玻璃纤维。图3C显示两个单个并入CNT的玻璃纤维附近交叉处的扫描电子显微照片。图4显示单向的并入CNT的纤维板，其中纤维在箭头方向上排列。该板配备多个发射电极IA至6A和多个接收电极IB至6B。板中模拟为1/8英寸孔的损伤显示为电极对5A/5B附近的圆圈。绘制在板上的是观察到的沿着纤维长度测量的电阻增加。电极对5A/5B·附近的损伤通过该电极对之间大的电阻增加指示。图5A显示两个单个单向板(板层)结合在一起，彼此垂直取向，板之间有绝缘层。箭头指示纤维轴的方向。图5B显示布置在图5A中结合板上的发射电极IA至12A和接收电极IB至12B的网络。图6显示当在制造的具有图5A/B中指示结构的3英寸X3英寸板的中间钻9/64英寸孔时测量的电阻百分数增加。图7显示当在制造的具有图5A/B中指示结构的3英寸X3英寸板的中间钻1/4英寸孔时测量的电阻百分数增加。图8显示当在制造的具有图5A/B中指示结构的3英寸X 3英寸板的中间钻21/64英寸孔时测量的电阻百分数增加。图9显示当在中间钻21/64英寸孔并且从制造的具有图5A/B中指示结构的3英寸X 3英寸板左上角钻第二孔0. 75英寸X0. 75英寸时测量的电阻百分数增加。图IOA显示具有0/90方位的7. 5英寸X I英寸测试条板,没有绝缘层。电极形成约0. 20英寸直径孔。电极环的银涂料厚度为1/16尺寸。图IOB显示图5A/5B的具有0/90方位的7. 5英寸X I英寸测试条板。电极形成约0. 20英寸直径孔。电极环的银涂料厚度为1/8尺寸。图IOC显示图5A/5B的具有0/90方位的7. 5英寸X I英寸测试条板。电极形成约0. 20英寸直径孔。电极环的银涂料厚度为1/4尺寸。图IOD显示附图说明图10A-10C中测试板中电极构造的描述。图11显不对于图10A-10C测试板的电阻对电极表面积的图。图12A显示例如图5A中所显示的3层板垂直针电极构造。图12B显示例如图5A中所显示的3层板平行针电极构造。图13显示根据本专利技术实施方式的损伤探测系统的方框图。图14显示损伤探测系统和方法的计算机图形用户界面的输入/输出流程。图15显示玻璃纤维材料可如何在连续过程中并入CNT，以用于冲击损伤探测应用。专利技术详述本公开部分涉及制作的自感测复合材料，其在至少部分基体材料中包括并入CNT的纤维，用于损伤探测应用。该复合材料可用在任何平台上，用于监测结构组分中复合材料的完整性。使用这些自感测复合材料的本专利技术方法可使用各种源信号，同时利用可扩大的制造工艺，产生具有高度控制和灵敏性的损伤探测系统。复合材料可制作用于具体应用并可用于I)通过原位监测，探测复合材料的损伤，包括监测使用前、使用期间和/或使用之后材料上应力；和2)通过提供结构增强和实时评估结构完整性，减小灾难性故障的可能性。本专利技术复合材料的一种组分是并入CNT的纤维。CNT并入在纤维载体上有助于使用常规纤维增强复合材料制造技术制造大的复合结构，以贯穿复合材料或在复合材料制品的策略部分并入CNT成分。因为与松弛CNT相比，并入CNT的纤维的CNT密度和分布严格控制，所以CNT的数量可显著减少。而且， 由于CNT-纤维组织体系，使CNT在纤维上允许协同机械强度增强，通过帮助再分布负荷承载应力 ，允许CNT执行感测损伤以及有助于结构完整性二者的双重作用。纤维载体也有助于策略放置CNT贯穿整个三维制品或在二维“表层”中。该策略放置允许沿着纤维轴和横向，控制传导性。复合材料的性质可通过控制例如CNT密度、长度、布置和排列而调整。因此，复合材料可被制作用于具体应用和/或探测任何类型损伤，以及减少损伤的可能性。如在图IA和IB中所显示，并入的CNT可影响复合材料的电学性能并可用于产生渗透通路，其允许连续的、非连续的或间歇的监测复合材料上的应力。如在图IA中所显示，本专利技术示例性复合材料的静止状态具有相关的渗透通路，例如，其具有通过适当放置的传感器对例如电极对可检测的可测量电学性能如电阻。随着材料经受应变，一些CNT与CNT接触被破坏，导致更少可操作的渗透通路，如在图IB中所显示。结果，当它经受可逆的或不可逆的该应变负荷时，复合材料上的电阻增加。这种可逆性可使用本专利技术方法评估。使用承载CNT的并入CNT的纤维制造的适用于改善电学性能的复合材料可用于损伤感测应用，如上所述。本专利技术复合材料也可用于改善复合材料强度。在具体应用中，并入CNT的纤维可用于特定位置以改善复合材料强度以及提供用于在重要结构组分处探测损伤的手段。一种这样的应用是在复合材料接搭处，其中一种复合结构结合至另一种复合结构(一种结构可与另一种垂直或平行)。结构之间的结合界面尤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·C·马里基，J·A·休斯，T·K·沙，
申请(专利权)人：应用纳米结构方案公司，
类型：发明
国别省市：