基于碳纳米纸传感器和深度学习的碳纤维复合材料损伤监测

纤维增强树脂基复合材料损伤机理复杂,为保证其长期稳定应用,需要采用先进的健康监测技术对其进行损伤监测。基于碳纳米纸传感器可灵敏监测电阻变化,对碳纤维增强聚合物(carbon fibre reinforced polymer composite,CFRP)复合材料进行冲击损伤监测,并设计出一套基于人工神经网络(artificial neural network,ANN)深度学习算法的损伤监测系统。通过数据分析可知,该系统可长期有效地监测CFRP的损伤发生与位置预测,且损伤位置精确度高达92%。该损伤监测系统可实现对复合材料健康状况的评估。

纤维增强复合材料静动态拉伸形变的碳纳米纸传感器监测

碳纳米纸可用作应变传感器监测纤维增强复合材料在静动态拉伸状况下的变形问题,这主要是通过测量与玻璃纤维增强复合材料一体固化成型的碳纳米纸传感器电阻变化来实现。试验结果表明,静态拉伸试验中,碳纳米纸传感器具有非常灵敏的应变传感性,在0~11 021με的应变范围内,其应变传感系数可达到22.1,在弹性极限点位置（应力为210MPa）电阻变化率发生突变;拉-拉疲劳试验中,当最大拉伸应力（215 MPa）大于弹性极限时,残余电阻变化率随疲劳周期增加明显加快;碳纳米纸传感器具有非常好的应变监测同步性和稳定性,完全可满足复合材料结构健康监测需要。

空气热循环下基于碳纳米纸传感器的复合材料健康监测

将碳纳米纸传感器与玻璃纤维预浸料共固化一体成型的复合材料试验样件,在空气热循环的条件下进行处理,以此证明碳纳米纸传感器在特殊环境下依然具备良好的监测性能。复合材料试验样件在20℃到150℃的空气热循环处理之后,进行静态拉伸实验和1500次循环的拉-拉疲劳实验。在静态拉伸实验下,经过不同次数的空气热循环处理,产生损伤时碳纳米纸传感器的电阻变化率与应变随着热循环次数的增加而下降,但是传感器依然可以监测复合材料的损伤。在拉-拉疲劳实验下,传感器展现了良好的耐久性。经过150次的空气热循环处理之后,传感器的残余电阻仅轻微上升,进一步证明了碳纳米纸传感器在特殊环境下卓越的服役性能。

基于碳纳米纸传感器的复合材料结构低速冲击损伤监测

针对复合材料对冲击载荷比较敏感、内部损伤不易发现的问题,提出一种利用碳纳米纸薄膜作应变传感器的复合材料结构件低速冲击损伤监测方法。在拉伸条件下,对圆形和矩形碳纳米纸薄膜进行不同方向的传感系数测试,发现圆形碳纳米纸传感器具有较高且稳定的传感系数155.63,可以作为全向传感器监测冲击损伤。复合材料结构的冲击损伤由传感器的电阻变化率和超声C扫描结果同步表征。研究结果表明,传感器的电阻随着冲击能量的增加而增加,基于全向碳纳米纸传感器的结构健康监测不仅可以灵敏感知低速冲击损伤,为损伤程度评估提供客观数据,而且通过分析不同方向BP传感器的电阻变化可以判断损伤位置。进一步与传统C扫描结果相比较表明,全向碳纳米纸传感器可以有效预判低速冲击损伤,用于航空航天复合材料结构件的实时在线健康监测。

湿热环境下复合材料基于碳纳米纸传感器的低速冲击损伤监测

针对湿热环境下复合材料的低速冲击损伤监测,将碳纳米纸传感器与复合材料一体成型,对湿热处理后的复合材料进行低速冲击。在由低到高的能量冲击下,传感器的电阻变化率呈阶梯性变化,多次冲击后传感器性能依旧稳定。此外,在冲击位置以及材料裂纹扩展方向传感器的电阻变化率比其他位置大,传感器展现了优良的冲击损伤定位能力。结果表明,碳纳米纸传感器能够在湿热环境下检测低速冲击损伤,并可以通过传感器阵列进行低速冲击损伤定位。

基于新型碳纳米纸传感器对VARI工艺中树脂流动趋势的实时监测

采用喷射吸附过滤成形工艺获得一种高柔性、高灵敏度的碳纳米纸(BP)传感器,碳纳米纸传感器是由碳纳米管在分子间范德华作用力条件下形成的三维介孔结构的薄膜材料。碳纳米纸传感器可嵌入在复合材料预成形体铺层中,与复合材料一体成形,实时监测真空辅助液体复合成形(VARI)树脂的流动情况。结果表明,通过在线监测系统采集在树脂浸润过程中碳纳米纸传感器的电阻,可准确监测树脂流动到相对应的位置的时间,以此来判断树脂浸润过程中的流动趋势。本文证明了碳纳米纸传感器可以实时监测VARI工艺中树脂的动态行为,为避免VARI工艺中由树脂浸润造成的缺陷,改进工艺参数以及优化生产等提供了新的途径。