碳纳米管复合材料损伤层析成像方法研究

Advanced fiber reinforced polymer composites are known to possess outstanding mechanical and fatigue properties and can be designed according to structural requirements and their structural applications continue to expand. Most structural composites are susceptible to variable damage modes under adverse conditions which have significant implications on structure safety. In this research, it is tried to contribute to the structure health monitoring in fiber composites. A damage sensing approach of composites based on carbon nanotubes by electrical resistance tomography is established and canbe used to monitor and evaluate damages in composites. The small diameter and excellent electrical conductivity of carbon nanotube enable them penetrate the small gaps between fibers to form an electrical percolation network. This network could be used to monitor damage evolution in fiber composites and realize the integration of structural and functional performance. Electrical resistance tomography is used to locate and quantify damages. Aim of the work is to locate and characterize damages quantitatively in fiber composites. Key technologies include carbon nanotubes distribution to composite with high wight percentage. This research will demonstrate the feasibility and benefits of electrical resistance measurements in the sensing of damage for fiber composites using carbon nanotubes and offer the potential for in-service health monitoring of composite structures.

先进树脂基复合材料在航空航天领域获得广泛应用。在服役复杂载荷与环境条件下，复合材料易产生各种模式的损伤，对结构安全性产生较大影响。本项目围绕复合材料结构健康监测技术开展研究，提出一种碳纳米管复合材料损伤的层析成像方法，对复合材料中的损伤进行监测与分析。该方法利用碳纳米管导电性好、尺寸小的特点，将其分散在树脂基体中形成导电网络，利用此网络传感并监测复合材料中的损伤，实现监测功能与复合材料结构一体化。采用层析成像的方法对损伤成像，并进行定位和定量化分析。项目将重点研究碳纳米管复合材料损伤层析成像的定位和定量表征问题，解决碳纳米管在树脂基体中的分散及其复合材料成型技术等关键技术问题。研究成果将为基于碳纳米管的复合材料损伤监测提供理论依据和技术手段。

本文针对复合材料结构健康监测的需求，提出了基于层析成像的复合材料结构损伤定位和定量化分析方法研究。取得的主要创新性成果总结如下：.（1）针对结构功能一体化的复合材料制备成型问题，研究了碳纳米管在纤维复合材料中高含量与可控性分散方法，提出了基于纤维浸润剂的碳纳米管分散方法，突破了较高含量的碳纳米管在纤维增强的树脂基复合材料中的分散技术。提出了碳纳米管/玻璃纤维/环氧树脂复合材料成型工艺方法，优化了碳纳米管/玻璃纤维/环氧树脂基复合材料真空辅助树脂转移模塑成型（VARTM）工艺方法。通过该研究，初步建立了碳纳米管在复合材料中的分散方法及碳纳米管复合材料成型方法，为实现基于碳纳米管的复合材料损伤层析成奠定了基础。.（2）针对复合材料损伤监测问题，开展了碳纳米管复合材料损伤层析成像方法研究。确定了基于EIT的复合材料中损伤成像的方法，电极材料的选择原则；提出了电极在复合材料上的布置方法，在此基础上发展了电极与复合材料的集成方法。确定了基于电阻值的各条路径损伤因子及权重的计算方法；进而计算复合材料结构内的损伤分布，获得损伤分布图像。通过该研究，提出了基于碳纳米管的复合材料损伤层析成像方法，为复合材料结构中损伤的定位和定量评估奠定了基础。.（3）针对复合材料损伤分析与评价问题，提出了损伤定位和定量方法。在电阻层析成像基础上，考察了电极的间距、分布等对损伤定位精确度的影响，并进行了电极优化。考察了特征参量随外部损伤的变化规律，全面验证本项目所提出的新概念、新理论和新方法。.本项目通过三年的研究，发表文章5篇，其中SCI收录4篇，EI收录1篇；申请国家专利8项；参加会议邀请报告1次，国际会议4次，受邀在国外大学讲学2次，邀请境外专家讲学3次。