陶瓷压电片传感器用于复合材料生命周期实时监测方法与流程

本发明涉及复合材料，尤其是涉及陶瓷压电片传感器用于复合材料生命周期实时监测方法。

背景技术：

先进复合材料具有比强度和比刚度高、性能可设计、易于整体成型等优点，是轻质高效结构设计的理想材料，广泛应用于航空航天、交通运输、海洋潜舰、石油化工及土木建筑等领域的大型工程结构。然而，由于设计、制造与检测技术的限制，复合材料在大型结构上应用的优越性能还远没有充分发挥，其中最主要的原因是缺少对成型工艺固化过程的实时监控和控制，产品质量难以保证。同时，复合材料易受冲击损伤，而且缺陷大多目不可测，需要先进健康监测技术([1]colpof,humbertl,botsisj.characterisationofresidualstressesinasinglefibrecompositewithfbgsensor[j].compositesscienceandtechnology,2007,67(9):1830-1841)。因此，对复合材料固化过程、加工过程和使用过程进行实时精确监测，对提高产品质量、降低成本、保障复合材料结构安全性具有十分重要的意义。

陶瓷压电片是可以实现正负压电效应的转换装置，既可以基于正压电效应对动态压力进行监测，又可以基于负压电效应实现超声检测和超声导波监测等技术。使用陶瓷压电片为圆片形结构，半径为4mm，厚度为0.2mm。

所使用的用于初次封装陶瓷压电片的特殊材料，要求其具有熔点低、初始强度高特点，且是树脂基体固化剂之一和改性材料之一，如聚己内酯。

现阶段用于复合材料固化监测技术主要有超声法、光纤法、介电法、阻抗法和热学方法，用于复合材料结构健康监测技术主要有超声导波法、光纤法、阻抗法等。超声法相比其他监测方法，具有精度高、结构简单、成本低等优点。

结构健康监测是使用永久集成在结构表面或嵌入结构内的分布式传感器网络为基础，是确定结构完整性的革命性创新技术([2]crowleydm,wardc,potterk.astatusofacceptancecriteriaandprocessrequirementsinadvancedcompositesmanufacturing,andwhethertheyarefitforpurpose[r].saetechnicalpap-er.2013)，在复合材料结构设计、制造、服役及维护的全寿命周期中都可以发挥重要的作用。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的复合材料成型和加工监测缺失，无法进行全寿命周期监测的现象，同时针对现有复合材料成型监测技术中操作复杂、精度不高、成本高等问题，提供陶瓷压电片传感器用于复合材料生命周期实时监测方法。

本发明包括以下步骤：

1)采用可封装陶瓷压电片和特殊材料形成共固化传感器；所述特殊材料采用聚己内酯等中的一种；

2)将共固化传感器预先固定于模具的型腔，共固化传感器预留型腔导线槽并密封后固化；

3)在复合材料注入时，流动过程产生压力变化，陶瓷压电片与共固化传感器产生电信号，得到复合材料流动前沿位置；

4)复合材料充满型腔后进行固化，根据超声检测方法，通过波速和幅值的变化实时监测固化度，而固化后共固化传感器将集成在复合材料表面，直接作为结构健康监测。

在步骤2)中，所述模具内预留出共固化传感器和导线槽，所述导线槽的深度与共固化传感器的厚度最好相同；所述密封可采用相同材料进行固定；所述模具可为金属模具、复合材料模具、陶瓷材料模具、石英材料模具、水泥材料模具、石膏材料模具等中的一种；所述固化的温度可为60～180℃，保持升温速率均匀，升温速率不超过10℃/min。所述模具内槽在传感器封装后，应保证模腔表面光滑平整，传感器布置不影响产品表面质量。

在步骤3)中，所述复合材料可采用纤维增强树脂基复合材料或晶须增强树脂基复合材料等中的一种；所述复合材料的液体成型工艺可采用抽真空；所述流动前沿位置是使用陶瓷压电片的正压电效应来感应树脂流动前沿。

在步骤4)中，所述超声检测方法的表征固化度时，可用波速vl＝2d/t一侧有传感器时和衰减α＝(1/d)20log(a0/a)表征固化度，其中d为板厚，t为时间，a0为发射信号幅值，a为接收信号幅值；用于结构健康监测时，可以用于超声导波技术或声发射技术；所述超声检测方法，是将共固化传感器布置在复合材料工件一侧，陶瓷压电片连接信号采集卡，即作发射也作接收。

本发明具有以下突出技术效果：

1、操作简单：本发明采用特殊材料和陶瓷压电片形成共固化组合传感器，直接用特殊材料再次封装进模具内槽即可；

2、传感器不对复合材料性能造成影响：特殊材料是树脂的固化剂和改性材料之一，如聚己内酯熔点为60℃，工艺温度超过60℃并且固化反应是为放热反应，聚己内酯能完全融入树脂。

3、传感器不对复合材料尺寸造成影响：采用不超过10℃/min的加热速度，树脂在达到特殊材料熔点时会部分固化，整体粘度增大，特殊材料用量很少，融化后可等同于局部固化剂，能确保传感器固定在复合材料表面。

4、系统简单：信号的接收和发射可以用一套系统来进行，在全寿命周期监测中都可仅使用陶瓷压电来进行实时监测。

5、本发明能实现复合材料结构制造、服役及维护的全寿命周期监测，陶瓷压电片最后集成在复合材料表面形成结构健康监测系统。结构健康监测系统是现在大型结构、交通行业最新型的技术概念，通过实时监测数据分析结合模型可预测寿命，并确保结构的安全性和可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例的共固化传感器示意图。

图2是本发明的特殊材料和陶瓷压电片共固化传感器示意图。

图3是本发明的模具内结构示意图。

图4是本发明的陶瓷压电片和复合材料共固化后的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1～4所示。本发明实施例的具体步骤如下：

1)采用可封装陶瓷压电片3和特殊材料2形成共固化传感器7；所述特殊材料2采用聚己内酯等中的一种；

2)将共固化传感器7预先固定于模具10的型腔6，共固化传感器7预留型腔导线槽4并密封后固化；所述模具内预留出共固化传感器7和导线槽8，所述导线槽8的深度与共固化传感器7的厚度最好相同；所述密封可采用相同材料进行固定；所述模具10可为金属模具、复合材料模具、陶瓷材料模具、石英材料模具、水泥材料模具、石膏材料模具等中的一种；所述固化的温度可为60～180℃，保持升温速率均匀，升温速率不超过10℃/min。所述模具内槽在传感器封装后，应保证模腔表面光滑平整，传感器布置不影响产品表面质量。

3)在复合材料11注入时，流动过程产生压力变化，陶瓷压电片3与共固化传感器7产生电信号，得到复合材料11流动前沿位置；所述复合材料可采用纤维增强树脂基复合材料或晶须增强树脂基复合材料等中的一种；所述复合材料的液体成型工艺可采用抽真空；所述流动前沿位置是使用陶瓷压电片的正压电效应来感应树脂流动前沿。

4)复合材料11充满型腔6后进行固化，根据超声检测方法，通过波速和幅值的变化实时监测固化度，而固化后共固化传感器7将集成在复合材料11表面，直接作为结构健康监测。所述超声检测方法的表征固化度时，可用波速vl＝2d/t一侧有传感器时和衰减α＝(1/d)20log(a0/a)表征固化度，其中d为板厚，t为时间，a0为发射信号幅值，a为接收信号幅值；用于结构健康监测时，可以用于超声导波技术或声发射技术；所述超声检测方法，是将共固化传感器7布置在复合材料工件一侧，陶瓷压电片连接信号采集卡，即作发射也作接收。

提前制好特殊材料(如聚己内酯)与陶瓷压电片共固化传感器，将传感器预先固定于模具型腔共固化传感器槽5和型腔导线槽4内，槽深与共固化传感器厚度一致，并预留型腔导线槽4，最后使用特殊材料进行密封，要确定特殊材料已经完全固化；按照复合材料液体成型工艺要求，在树脂注入时，流动过程会产生压力变化，根据正压电效应，陶瓷压电片共固化传感器会产生电信号，得到树脂流动前沿位置；树脂充满型腔后进行固化，根据超声检测原理，通过波速和幅值的变化来实时监测固化度；陶瓷压电片传感器将集成在固化后的复合材料表面，与复合材料组成结构健康监测系统，可使用主动式超声导波监测技术和被动式声发射技术对复合材料结构完整性及损伤进行实时监测。

在图1中，标记1为导线，9为密封槽。

下面以复合材料液体成型工艺对本发明作进一步的说明(特殊材料选用聚己内酯)。

本发明的共固化传感器示意图如1所示，陶瓷压电片的半径为4mm，厚度为0.2mm。使用聚己内酯对陶瓷压电片整体进行封装，封装后仍为圆片型，半径为4.1mm，厚度为0.4mm。

本发明采取的复合材料生产工艺为液体成型工艺。模具形状如图2所示，所选模具外形尺寸为600mm×600mm×40mm，内部型腔尺寸为400mm×400mm×3mm。以型腔内布置4个陶瓷压电片传感器为例，先在模具型腔内表面开四个半径为4.1mm，厚度0.4mm的沉孔槽，孔肩半径为4.2mm，深度为0.1mm。使用的导线为直径0.05mm的漆包线，在模具内开0.1mm长宽高的导线槽。然后将封装传感器和导线放入沉孔槽和导线槽，并用聚己内酯再次封装传感器，去掉多余聚己内酯，保证模具内表面平整和聚己内酯已完全固化。然后按照液体成型工艺，涂脱模剂，放400mm×400mm尺寸的碳纤维单向布，铺放8层布，按[0/90/±45]s角度铺放。最上面铺放脱模布后抽取真空，借真空压入树脂，树脂流经传感器时，会对聚己内酯表面产生一个动态压力，最终传递到陶瓷压电片，产生电信号，通过传感器是否产生电信号来判断树脂是否流经传感区域。待树脂充满型腔后，将模具放入恒温箱中加热至80℃内30min，等待固化完成，固化时，树脂由液体变为固体，模量和泊松比等力学性能从零开始上升，并且还伴随交联、放热等物理化学反应，会对超声波信号的波速和幅值产生影响，通过超声信号的波速vl＝2d/t和幅值α＝(1/d)20log(a0/a)变化来表征固化度，通过下式：

用式和来精确计计算固化度。式中ρ为树脂密度，αus表示固化度，l表示树脂存储体积模量，l0表示初始体积模量(固化未完成时)，lf表示最大存储体积模量(固化完成时)。

最后将模具取出，打开模具，将传感器与成品组成的共固化产品取出，进行表面简单加工。形状如图3所示。陶瓷压电片传感器组成的传感网络已经永久集成在复合材料结构表面，可以用于基于超声导波技术的主动式监测和基于声发射技术的被动式监测。从树脂流动前沿到后来的结构健康监测，都可以在一套采集系统上完成数据采集。

综上所述，本发明可以用于复合材料从生产到加工到使用整个生命周期监测，且仅使用陶瓷压电片传感器就可以监测整个过程，无需其他传感系统。

本发明提供了一种陶瓷压电片传感器用于复合材料生命周期实时监测的方法，主要步骤包括：将陶瓷压电片正负极接好导线，先用特殊材料封装陶瓷压电片，该特殊材料应不影响复合材料性能，并要求该材料具有熔点低、初始强度高等特点，且是树脂基体的固化剂之一或改性材料之一，如聚己内酯；将熔融状态的特殊材料导入已经准备好的模具内与陶瓷压电片固化形成封装传感器；随后将传感器放入模具预留槽内，使用相同材料将传感器及其导线固定封装；其余工艺流程按照复合材料液体成型工艺进行，树脂注入流动会产生动态压力，传递到陶瓷压电片会产生电信号；固化时材料力学性能随时间增强，会对陶瓷压电片产生的超声波波速和幅值大小产生影响；固化成型后脱模取出工件和陶瓷压电片共固化产品。本发明不仅实现了实时监测复合材料液体成型过程，而且最终由陶瓷压电片组成的传感网络会共固化在复合材料表面，可以用于复合材料结构的健康监测技术，为复合材料从设计、制造、服役及维护的全寿命周期监测提供技术支持。