复合材料健康监测的硅基柔性传感器多尺度动力学研究

本项目以复合材料在线健康监测为背景，围绕大变形柔性传感器的设计优化及其损伤奇异性的多尺度建模与动力学分析展开研究。针对易拉伸、可折叠、抗损坏的柔性传感器的要求，引入波形硅和弓形交联导电体两种柔性结构，提出采用双步转移工艺的硅基柔性传感器设计方案；集成多种物理量敏感元件，设计能够缠绕、铺设在复合材料表面或嵌入其内部的新型硅基柔性传感器；提出适合于损伤奇异性分析的多域多尺度建模方法，揭示损伤从微观到宏观的演变规律及其动力学特性；提出算子自定义小波有限元的自适应算法和基于信息保存法的DSMC并行算法，提高宏观有限元建模与微观分子动力学模拟的效率和精度；进行冲击与交变载荷作用下的微观结构疲劳实验和动态信号的分析，将实验测试与多尺度动力学分析结果相结合，发现硅基柔性传感器结构的薄弱环节并提出改进设计方案，为航空航天装备复合材料在线健康监测的柔性传感器设计与应用提供有价值的基础理论和关键技术。

本项目研究了一种可用于复合材料在线健康监测的易拉伸、可折叠、抗损坏的新型柔性传感器薄膜。首先，提出了一种采用双步迁移工艺的硅基柔性传感器薄膜以及解决大变形测量问题的多段弓形交联导体结构，解决了单段弓形结构所能承受的最大变形量过小的问题。建立了多段弓形交联导体控制方程，给出了硅基柔性传感器薄膜的整体设计方案。其次，设计了一种集成振动与温度测量的硅基微型传感器芯片，并建立了传感器芯片综合性能的优化模型，该模型兼顾了结构动态响应、系统测量带宽以及测试灵敏度等性能。然后，研究传感器薄膜在贴附于复合材料曲面时的结构封装力学问题，分析了结合界面的应力分布，并研究了传感器芯片的阵列密度和芯片长/高比对结合面应力分布的影响，在此基础上，获得传感器薄膜的极限弯曲曲率和最大延伸率。最后，完成了传感器单元及硅基柔性传感器薄膜的制作，实验研究了集成传感器芯片的动态性能和柔性传感器薄膜的损伤问题。实验结果显示，所制作的传感器芯片固有频率、线性度达到设计要求。本项目的研究成果为复合材料的在线健康监测提供了一种新型的测试技术。