基于嵌入式納米傳感技術(shù)的FRP全生命周期健康監(jiān)測(cè)及風(fēng)險(xiǎn)分析研究
發(fā)布時(shí)間：2020-12-15 06:43
伴隨纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(fiber reinforced polymeric composites,FRPs)在航空航天、土木工程、特種設(shè)備等多個(gè)重要領(lǐng)域的飛速發(fā)展,其引發(fā)的安全問(wèn)題也備受關(guān)注。源自結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷與損傷一旦轉(zhuǎn)化為事故,便很容易造成大規(guī)模的群死群傷,后果不堪設(shè)想。因此,時(shí)刻掌握復(fù)合材料的運(yùn)行狀態(tài)不可或缺。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(structural health monitoring,SHM)的應(yīng)運(yùn)而生解決了該困擾。它以智能前沿的傳感技術(shù)為核心,在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)診斷復(fù)材健康狀態(tài)及量化識(shí)別結(jié)構(gòu)缺陷損傷兩端均發(fā)揮著重要作用。近年來(lái),碳納米傳感研究的不斷涌現(xiàn)也為持續(xù)優(yōu)化SHM帶來(lái)了良好契機(jī)。在此背景下,本文利用先進(jìn)的嵌入式碳納米傳感策略創(chuàng)新建立了一種可滿(mǎn)足FRP復(fù)合材料全生命周期的SHM技術(shù),并基于此新技術(shù)開(kāi)發(fā)出復(fù)材失效風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)分析評(píng)估手段。在強(qiáng)化提升復(fù)材裝備設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)管控方法的同時(shí),進(jìn)一步優(yōu)化完善了SHM對(duì)維護(hù)復(fù)材健康安全的系統(tǒng)保障機(jī)制。主要內(nèi)容如下:(1)嵌入式碳納米纖維傳感器使能的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。結(jié)合高效的連續(xù)加工及一體化成型工藝,通過(guò)在復(fù)材制造階段將碳納米涂層纖維傳感器無(wú)損地編織集...
【文章來(lái)源】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)北京市 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁(yè)數(shù)】：132 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【部分圖文】：
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(SHM)技術(shù)的主要作用(卿新林,2012)
近年來(lái),多種傳感技術(shù)已被用于研究高性能復(fù)合材料(FRPs)在生命周期不同階段的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)。具有代表性地,光纖光柵(Archer et al.,2014;Marin et al.,2012;Palumbo,2019)、直流電阻測(cè)量(Luthy and Ermanni,2003)、介電分析(Martin et al.,2019;Moghaddam et al.,2016)、時(shí)域反射(Pandey et al.,2013)、溫度(Tuncol et al.,2007)及壓力感應(yīng)(Claudio et al.,2013)可用來(lái)監(jiān)測(cè)復(fù)材加工成型階段樹(shù)脂的浸潤(rùn)與固化;金屬應(yīng)變片(Dally and Sanford,1987;Qureshi et al.,2019)、壓電(Qing et al.,2006;Tuloup et al.,2019)、超聲導(dǎo)波(Mitra and Gopalakrishnan,2016;Purekar and Pines,2010)、聲發(fā)射(Zhou et al.,2014;盧萍,2010)及磁致伸縮(Kannan et al.,2007)傳感器則能夠識(shí)別復(fù)材服役使用階段的受力狀態(tài)與裂紋損傷。雖然這些技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟(圖1-2),但卻存在著缺陷引入、質(zhì)量增加、裝卸困難、布線(xiàn)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、精度限制、界面隨形等多方面的局限,難以滿(mǎn)足大規(guī)模的工程應(yīng)用需求(Antonucci et al.,2006;Lu et al.,2019;Schubel et al.,2013;Tuloup et al.,2019;丁克勤,2015)。(3)基于碳納米傳感技術(shù)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法
“二維貼面式”是早期比較常用的傳感方式(圖1-3)。Li和Kang等人率先運(yùn)用真空抽濾技術(shù)將CNT過(guò)濾沉積制備成導(dǎo)電的buckypaper(碳納米管紙),通過(guò)使其貼附在有機(jī)玻璃基體表面來(lái)研究靜、動(dòng)態(tài)負(fù)載下的壓阻效應(yīng)(Kang et al.,2006;Li et al.,2004)。在此良好基礎(chǔ)上,盧少微將噴涂工藝與抽濾技術(shù)結(jié)合,進(jìn)一步研制出了具有更高壓阻靈敏度的二維CNT紙質(zhì)傳感器(Lu et al.,2016;盧少微,2015)。除典型的buckypaper外,通過(guò)將利用CNT薄膜(Luo and Liu,2013)、CNT/聚合物混合膜(Makireddi et al.,2015)及石墨烯帶(Huang et al.,2011)制備而成的二維傳感器附著在FRP結(jié)構(gòu)表面或?qū)娱g也能有效監(jiān)測(cè)復(fù)材的受力變形與固化成型過(guò)程。如朱永凱等人就利用CNT聚合物薄膜實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)材彎曲形變的規(guī)�；O(jiān)控(朱永凱,2010)。盡管二維的碳納米傳感技術(shù)在敏感性方面具備一定優(yōu)勢(shì),但有限且固定的尺寸決定了它很難精確監(jiān)測(cè)到復(fù)合材料某一局部區(qū)域的健康狀態(tài)。于是,“三維共混式”復(fù)材傳感器就此誕生(圖1-4)。Thostenson和Gao等人為此做出了重要的貢獻(xiàn)。他們先后提出了將CNT與(環(huán)氧)樹(shù)脂基體充分混合能夠直接識(shí)別診斷復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷的原位傳感策略(Gao et al.,2009;Gao et al.,2011;Thostenson and Chou,2006)。隨后,順應(yīng)此思路,學(xué)者們將剝落的石墨烯粉末分散在樹(shù)脂基體中制備成三維納米復(fù)合材料,也成功地檢測(cè)出FRP在不同形變下的裂紋和失效模式(Gnidakouong et al.,2016)。雖然,三維的傳感方式一定程度上克服了二維傳感器監(jiān)測(cè)范圍不足的劣勢(shì),但也有多位研究人員指出了它的缺陷:①碳納米材料的自團(tuán)聚傾向使得它們很難和樹(shù)脂基體均勻混合;②混合后的碳納米/樹(shù)脂混合液增加了基體的粘度,影響復(fù)合材料的加工成型質(zhì)量;③在樹(shù)脂中加入其它物質(zhì)會(huì)徹底改變?cè)械奈⒂^(guān)結(jié)構(gòu),我們難以確定碳納米材料是否會(huì)提升或削弱復(fù)材最終的力學(xué)性能(Chen et al.,2007;Dai et al.,2015)。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料增材制造技術(shù)與裝備研究[J]. 單忠德,范聰澤,孫啟利,戰(zhàn)麗. 中國(guó)機(jī)械工程. 2020(02)
[2]石墨烯/碳納米管嵌入式纖維傳感器對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料原位監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系對(duì)比[J]. 徐鵬,王冠韜,劉奎,羅斯達(dá). 材料工程. 2019(09)
[3]纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展[J]. 劉偉慶,方海,方園. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào). 2019(04)
[4]Interface microstructure and bond strength of 1420/7B04 composite sheets prepared by diffusion bonding[J]. Fan Wu,Wen-Long Zhou,Bing Zhao,Hong-Liang Hou. Rare Metals. 2018(07)
[5]復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與健康監(jiān)測(cè)展望[J]. 陳雪峰,楊志勃,田紹華,孫瑜,孫若斌,左浩,許才彬. 振動(dòng).測(cè)試與診斷. 2018(01)
[6]基于風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)的道路限速設(shè)計(jì)方法研究[J]. 戴英,羅云,裴晶晶,高聿德. 中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù). 2017(08)
[7]中國(guó)射線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展[J]. 鄔冠華,熊鴻建. 儀器儀表學(xué)報(bào). 2016(08)
[8]嵌入碳納米線(xiàn)的三維編織復(fù)合材料損傷監(jiān)測(cè)[J]. 郭建民,萬(wàn)振凱. 紡織學(xué)報(bào). 2016(04)
[9]電鍍企業(yè)環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)技術(shù)探討[J]. 黃西菲,羅云. 工業(yè)安全與環(huán)保. 2016(03)
[10]復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 王奕首,卿新林. 復(fù)合材料學(xué)報(bào). 2016(01)
本文編號(hào)：2917839
【文章來(lái)源】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)北京市 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁(yè)數(shù)】：132 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【部分圖文】：
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(SHM)技術(shù)的主要作用(卿新林,2012)
近年來(lái),多種傳感技術(shù)已被用于研究高性能復(fù)合材料(FRPs)在生命周期不同階段的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)。具有代表性地,光纖光柵(Archer et al.,2014;Marin et al.,2012;Palumbo,2019)、直流電阻測(cè)量(Luthy and Ermanni,2003)、介電分析(Martin et al.,2019;Moghaddam et al.,2016)、時(shí)域反射(Pandey et al.,2013)、溫度(Tuncol et al.,2007)及壓力感應(yīng)(Claudio et al.,2013)可用來(lái)監(jiān)測(cè)復(fù)材加工成型階段樹(shù)脂的浸潤(rùn)與固化;金屬應(yīng)變片(Dally and Sanford,1987;Qureshi et al.,2019)、壓電(Qing et al.,2006;Tuloup et al.,2019)、超聲導(dǎo)波(Mitra and Gopalakrishnan,2016;Purekar and Pines,2010)、聲發(fā)射(Zhou et al.,2014;盧萍,2010)及磁致伸縮(Kannan et al.,2007)傳感器則能夠識(shí)別復(fù)材服役使用階段的受力狀態(tài)與裂紋損傷。雖然這些技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟(圖1-2),但卻存在著缺陷引入、質(zhì)量增加、裝卸困難、布線(xiàn)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、精度限制、界面隨形等多方面的局限,難以滿(mǎn)足大規(guī)模的工程應(yīng)用需求(Antonucci et al.,2006;Lu et al.,2019;Schubel et al.,2013;Tuloup et al.,2019;丁克勤,2015)。(3)基于碳納米傳感技術(shù)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法
“二維貼面式”是早期比較常用的傳感方式(圖1-3)。Li和Kang等人率先運(yùn)用真空抽濾技術(shù)將CNT過(guò)濾沉積制備成導(dǎo)電的buckypaper(碳納米管紙),通過(guò)使其貼附在有機(jī)玻璃基體表面來(lái)研究靜、動(dòng)態(tài)負(fù)載下的壓阻效應(yīng)(Kang et al.,2006;Li et al.,2004)。在此良好基礎(chǔ)上,盧少微將噴涂工藝與抽濾技術(shù)結(jié)合,進(jìn)一步研制出了具有更高壓阻靈敏度的二維CNT紙質(zhì)傳感器(Lu et al.,2016;盧少微,2015)。除典型的buckypaper外,通過(guò)將利用CNT薄膜(Luo and Liu,2013)、CNT/聚合物混合膜(Makireddi et al.,2015)及石墨烯帶(Huang et al.,2011)制備而成的二維傳感器附著在FRP結(jié)構(gòu)表面或?qū)娱g也能有效監(jiān)測(cè)復(fù)材的受力變形與固化成型過(guò)程。如朱永凱等人就利用CNT聚合物薄膜實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)材彎曲形變的規(guī)�；O(jiān)控(朱永凱,2010)。盡管二維的碳納米傳感技術(shù)在敏感性方面具備一定優(yōu)勢(shì),但有限且固定的尺寸決定了它很難精確監(jiān)測(cè)到復(fù)合材料某一局部區(qū)域的健康狀態(tài)。于是,“三維共混式”復(fù)材傳感器就此誕生(圖1-4)。Thostenson和Gao等人為此做出了重要的貢獻(xiàn)。他們先后提出了將CNT與(環(huán)氧)樹(shù)脂基體充分混合能夠直接識(shí)別診斷復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷的原位傳感策略(Gao et al.,2009;Gao et al.,2011;Thostenson and Chou,2006)。隨后,順應(yīng)此思路,學(xué)者們將剝落的石墨烯粉末分散在樹(shù)脂基體中制備成三維納米復(fù)合材料,也成功地檢測(cè)出FRP在不同形變下的裂紋和失效模式(Gnidakouong et al.,2016)。雖然,三維的傳感方式一定程度上克服了二維傳感器監(jiān)測(cè)范圍不足的劣勢(shì),但也有多位研究人員指出了它的缺陷:①碳納米材料的自團(tuán)聚傾向使得它們很難和樹(shù)脂基體均勻混合;②混合后的碳納米/樹(shù)脂混合液增加了基體的粘度,影響復(fù)合材料的加工成型質(zhì)量;③在樹(shù)脂中加入其它物質(zhì)會(huì)徹底改變?cè)械奈⒂^(guān)結(jié)構(gòu),我們難以確定碳納米材料是否會(huì)提升或削弱復(fù)材最終的力學(xué)性能(Chen et al.,2007;Dai et al.,2015)。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料增材制造技術(shù)與裝備研究[J]. 單忠德,范聰澤,孫啟利,戰(zhàn)麗. 中國(guó)機(jī)械工程. 2020(02)
[2]石墨烯/碳納米管嵌入式纖維傳感器對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料原位監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系對(duì)比[J]. 徐鵬,王冠韜,劉奎,羅斯達(dá). 材料工程. 2019(09)
[3]纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展[J]. 劉偉慶,方海,方園. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào). 2019(04)
[4]Interface microstructure and bond strength of 1420/7B04 composite sheets prepared by diffusion bonding[J]. Fan Wu,Wen-Long Zhou,Bing Zhao,Hong-Liang Hou. Rare Metals. 2018(07)
[5]復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與健康監(jiān)測(cè)展望[J]. 陳雪峰,楊志勃,田紹華,孫瑜,孫若斌,左浩,許才彬. 振動(dòng).測(cè)試與診斷. 2018(01)
[6]基于風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)的道路限速設(shè)計(jì)方法研究[J]. 戴英,羅云,裴晶晶,高聿德. 中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù). 2017(08)
[7]中國(guó)射線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展[J]. 鄔冠華,熊鴻建. 儀器儀表學(xué)報(bào). 2016(08)
[8]嵌入碳納米線(xiàn)的三維編織復(fù)合材料損傷監(jiān)測(cè)[J]. 郭建民,萬(wàn)振凱. 紡織學(xué)報(bào). 2016(04)
[9]電鍍企業(yè)環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)技術(shù)探討[J]. 黃西菲,羅云. 工業(yè)安全與環(huán)保. 2016(03)
[10]復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 王奕首,卿新林. 復(fù)合材料學(xué)報(bào). 2016(01)
本文編號(hào)：2917839
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