一种连续SiC纤维增强复合材料自感知特性的电容测量系统的制作方法

一种连续sic纤维增强复合材料自感知特性的电容测量系统
技术领域
[0001]
本发明涉及金属基复合材料及自感知技术领域，具体涉及一种连续sic纤维增强复合材料自感知特性的电容测量系统。


背景技术：

[0002]
连续单丝sic纤维具有高比强度、高比模量、高耐温性、抗腐蚀、耐磨损、热稳定性好等性能优点，用其增强制备的sic纤维增强钛基复合材料，与传统钛基复合材料相比，密度更低、强度更高、抗疲劳和抗蠕变性能将大幅提升，其在航空航天工业中具有明确的应用前景，因此，连续sic纤维增强钛基复合材料多用于制造高推重比发动机的结构零件，如航空发动机中的传动轴、整体叶环、盘类和风扇叶片等。然而，在这些部位，结构零件多承受无极交变动载荷和高温等极限环境，这限制了它们的使用寿命并可能造成灾难性的故障，因此，迫切需要对关键零部件的服役情况进行实时监测，使微小损伤及时发现并及时修复，阻止损伤的积累，从而保证结构部件的可靠运行。
[0003]
传统检测方法需要附加或嵌入传感器，附加传感器需要定期进行拆卸维护，因而不耐用并且会增加结构重量；嵌入式传感器会降低结构材料的机械性能。


技术实现要素：

[0004]
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种连续sic纤维增强复合材料自感知特性的电容测量系统，通过实时检测连续sic纤维增强复合材料的电容变化，实现连续sic纤维增强复合材料结构的实时监测，不会降低连续sic纤维增强复合材料的机械性能。
[0005]
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
[0006]
一种连续sic纤维增强复合材料自感知特性的电容测量系统，包括由复合材料基体1及其内部连续sic纤维2构成的连续sic纤维增强复合材料，复合材料基体1表面两端涂覆有介电涂层3，介电涂层3上安装有与外部电容测量装置连接的共面电极4；使用时，外部电容测量装置通过共面电极4测量到连续sic纤维增强复合材料的电容变化，判断连续sic纤维增强复合材料的健康状态，当电容发生突变时，意味连续sic纤维增强复合材料内部已发生损伤。
[0007]
所述的介电涂层3为类金刚石涂层或氮化钛涂层，且涂层厚度为1μm～100μm，采用热喷涂或离子溅射等方法制备。
[0008]
所述的复合材料基体1采用钛、钢、铝、镁或镍合金材料。
[0009]
所述的—连续sic纤维增强复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0010]
1)采用化学气相沉积方法在直径12～15μm钨芯或直径30～33μm碳芯表面沉积sic纤维；
[0011]
2)采用化学气相沉积或物理气相沉积方法在sic纤维表面沉积界面涂层；
[0012]
3)通过物理气相沉积法、电子束蒸镀或等离子喷涂等方法在带界面涂层的sic纤
维表面涂覆复合材料基体1，形成先驱丝；
[0013]
4)将先驱丝束集中起来，通过真空热压或热等静压的方法进行致密化处理，形成连续sic纤维增强复合材料。
[0014]
本发明的有益效果是：
[0015]
本发明的连续sic纤维增强复合材料的制备方法可大幅提高复合材料的强度，本发明电容测量系统能够实现连续sic纤维增强复合材料状态实时自感知，可有效避免严重事故的发生。
附图说明
[0016]
图1为本发明的测量原理图。
[0017]
图2为实施例不同应力载荷时连续sic纤维增强复合材料电容的变化值。
具体实施方式
[0018]
下面将结合本附图和实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0019]
参照图1，一种连续sic纤维增强复合材料自感知特性电容测量系统，包括由复合材料基体1及其内部连续sic纤维2构成的连续sic纤维增强复合材料，复合材料基体1表面两端涂覆有介电涂层3，介电涂层3上安装有与外部电容测量装置连接的共面电极4；使用时，外部电容测量装置通过共面电极4测量到连续sic纤维增强复合材料的电容变化，判断连续sic纤维增强复合材料的健康状态，当电容发生突变时，意味连续sic纤维增强复合材料内部已发生损伤。
[0020]
本实施例中，复合材料基体1采用钛，连续sic纤维增强复合材料的长度为75mm，宽度为25mm，厚度为2mm；连续sic纤维2的体积分数为20％；为实现实时自监测，介电涂层3为氮化钛涂层，厚度为100μm，采用离子溅射方法制备；共面电极4为铝电极，每个铝电极的平面尺寸为25mm
×
25mm，厚度为1mm，共面电极4之间的区域为应力施加区域；外部电容测量装置使用的频率为1khz，电容测量的误差为
±
0.1pf；在应力感测中，在加载和卸载期间测量电容。
[0021]
所述的一连续sic纤维增强复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0022]
1)采用化学气相沉积方法在直径12～15μm钨芯或直径30～33μm碳芯表面沉积sic纤维；
[0023]
2)采用化学气相沉积或物理气相沉积方法在sic纤维表面沉积界面涂层，界面涂层作用在于阻止过度的界面反应，保护sic纤维，调节应力并实现载荷传递；
[0024]
3)通过物理气相沉积法、电子束蒸镀或等离子喷涂等方法在带界面涂层的sic纤维表面涂覆复合材料基体1，形成先驱丝；
[0025]
4)将先驱丝束集中起来，通过真空热压或热等静压的方法进行致密化处理，形成连续sic纤维增强复合材料。
[0026]
在应力施加区域，施加0～10kpa的应力，如图2所示，图2为不同应力载荷时连续sic纤维增强复合材料电容的变化值，可以看出所测量的电容随着应力的增加而单调减小，通过电容测量可以实现连续sic纤维增强复合材料部件实时自感知。