一种具有损伤原位监测功能的复合材料螺栓连接接头

技术领域

本发明涉及一种具有损伤原位监测功能的复合材料螺栓连接接头，属功能性复合材料技术领域。

背景技术

复合材料是采用两种或两种以上不同性质的材料组合而成的一种新型材料，与传统金属材料相比，复合材料可以充分发挥各组元的优势，弥补各组元的不足，获得单一金属或合金所不具备的轻质高强、抗疲劳和耐腐蚀性能等优异的性能。因此复合材料在当今材料领域受到越来越广泛的重视与应用，尤其对工作环境复杂、对减重需求较高的航空航天和高速列车等领域的青睐。

目前复合材料应用最多的是由多层增强纤维/树脂构成的层合板结构。其中增强纤维材料主要包括玻璃纤维、碳纤维和植物纤维等，树脂包括热固性树脂和热塑性树脂。两种材料经过诸如热压罐成型、真空辅助成型、拉挤成型及预浸料成型等工艺制备最终形成性能优异的复合材料结构。

在航空航天等领域中根据实际工程的需求存在大量的机械连接结构。由于复合材料机械连接结构大多采用螺栓连接的方法，因此在连接部位需要打连接孔，这将造成纤维的中断，导致结构整体强度出现明显的降低。而复合材料还具有各向异性以及非均匀性的特点，连接孔周围的应力分布更为复杂，破坏模式也存在拉伸破坏、剪切破坏和挤压破坏等多种形式。其中除挤压破坏为延性破坏外，其余破坏模式均属于脆性破坏，一旦出现结构将会突然失去承载力，造成灾难性的后果。

如何实现复合材料螺栓连接接头的健康监测并避免出现灾难性破坏成为航空航天等领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是，为了实现复合材料螺栓连接接头的健康监测，避免出现灾难性破坏等亟待解决的问题，一种具有损伤原位监测功能的复合材料螺栓连接接头。

本发明实现的技术方案如下，一种具有损伤原位监测功能的复合材料螺栓连接接头，所述接头以玻璃纤维为增强材料，树脂为基体；将多壁碳纳米管沉积在玻璃纤维上，形成基于多壁碳纳米管的传感器，并植入在接头的层间；接头受到损伤时，基于多壁碳纳米管的传感器能感知损伤并通过电阻变化的形式反映出来，实现损伤原位监测。

所述基于多壁碳纳米管的传感器的制备方法如下：

将多壁碳纳米管放在活化后的去离子水中；随后进行超声波分散处理；将玻璃纤维在所得溶液中浸泡；然后将浸泡后的玻璃纤维放进恒温烤箱中进行烘干蒸发掉多余水分；使多壁碳纳米管沉积在玻璃纤维上，从而构建由多壁碳纳米管形成的导电传感网络，完成对基于多壁碳纳米管的传感器制备。

所述具有损伤原位监测功能的复合材料螺栓连接接头的真空辅助成型工艺，步骤如下：

（1）预处理过程：将导流网、脱膜布、玻璃纤维和基于多壁碳纳米管的传感器按先后次序铺放在光滑的桌面上，随后利用真空袋将材料密封并开启真空泵进行气密性检测；

（2）真空抽树脂及静置固化过程：在确定真空袋内的气密性良好后，进行树脂的制备，随后利用真空压力将树脂抽进真空袋中；为避免树脂被抽进真空泵中，在真空泵与真空袋之间放置一个树脂收集器；随后静置12小时等待树脂固化；

（3）脱膜过程：在树脂固化完成后脱去试件外的真空袋、导流网及脱膜布；

（4）切割打孔：利用切割机将试件切割成标准规定的尺寸，随后利用打孔机在预先设定好的位置打出连接孔，得到具有损伤原位监测功能的复合材料螺栓连接接头。

所述玻璃纤维为单向纤维或交织纤维。

所述树脂为热固性树脂。

所述基于多壁碳纳米管的传感器采用物理气相沉积法进行制备。

所述基于多壁碳纳米管的传感器分别布置在连接孔及试件端部的中间层，且宽度和接头保持一致。

本发明的有益效果在于，本发明充分利用了多壁碳纳米管（MWCNT）自身优异的电学及力学性能。通过将基于MWCNT的传感器植入复合材料螺栓连接接头的层间，在提升接头层间力学性能的同时，利用MWCNT构成的导电传感网络将损伤产生的不可视且复杂的力学信号转化为可视且简单的电学信号，从而实现对接头内部损伤的监测。同时MWCNT的价格低廉，可以降低成本，获得更高的经济效益。

附图说明

图1是本发明基于MWCNT的传感器的制备工艺流程图；

图2是本发明具有损伤原位监测功能的复合材料螺栓连接接头的制备工艺流程图；

图3是本发明具有损伤原位监测功能的复合材料螺栓连接接头及连接夹具的平面示意图；

图4是本发明具有损伤原位监测功能的复合材料螺栓连接接头的立体结构示意图；

图5是复合材料螺栓连接破坏主要的三种形式（拉伸破坏、剪切破坏和挤压破坏）；

图6是利用本发明所述对螺栓连接三种破坏形式监测结果；

图中，1为多壁碳纳米管（MWCNT）；2为活化后的去离子水；3为恒温烤箱；4为基于MWCNT的传感器；5为玻璃纤维；6为脱模布；7为导流网；8为真空袋；9为树脂；10为树脂收集器；11为真空泵；12为连接夹具；13为螺栓；14为连接孔；15为破坏路径；100为复合材料螺栓连接接头。

具体实施方式

下面通过附图描述的实施例，对本发明技术方案做进一步说明。

图1所示为本发明实施例基于MWCNT的传感器的制备工艺流程。将多壁碳纳米管1放在活化后的去离子水2中。随后进行超声波分散处理。将玻璃纤维在所得溶液中浸泡，然后放进恒温烤箱3中进行烘干蒸发掉多余水分，即可使MWCNT沉积在玻璃纤维上，从而构建由MWCNT形成的导电传感网络，完成对基于MWCNT的传感器4的制备。

图2所示为根据本实施例的制备具有损伤原位监测功能的复合材料螺栓连接接头的真空辅助成型工艺流程，包括如下步骤：

（1）预处理过程：将导流网7、脱膜布6、玻璃纤维5和基于MWCNT的传感器4按先后次序铺放在光滑的桌面上，随后利用真空袋8将材料密封并开启真空泵11进行气密性检测。

（2）真空抽树脂及静置固化过程：在确定真空袋8内的气密性良好后，进行树脂9的制备，随后利用真空压力将树脂抽进真空袋8中。为避免树脂被抽进真空泵中，在真空泵11与真空袋8之间放置一个树脂收集器10。随后静置12小时等待树脂固化。

（3）脱膜过程：在树脂固化完成后脱去试件外的真空袋8、导流网7及脱膜布6。

（4）切割打孔过程：利用切割机将试件切割成标准规定的尺寸，随后利用打孔机在预先设定好的位置打出连接孔14，得到具有损伤原位监测功能的复合材料螺栓连接接头100。

图4所示为根据本实施例的复合材料螺栓连接接头及连接夹具的平面示意图。试件与连接夹具12通过螺栓13连接在一起。此时可以将试件与连接夹具放在拉伸试验机上进行拉伸测试。当试件受到损伤时，基于MWCNT的传感器同时会感知到损伤并通过电阻变化的形式反映出来，通过分析电阻的变化即可对试件的损伤程度进行评估，判断试件是否还有继续服役的能力。

图3所示提供了本实施例的一个示例性实施例的具有原位监测功能的复合材料螺栓连接接头100的立体结构示意图。所述基于MWCNT的传感器4布置在图中所示位置的中间层。当试件受到螺栓传递的拉伸荷载时可以及时感知到试件内部出现的损伤并通过电阻信号直观的表示出来。通过植入的两个不同位置的传感器，分析两个传感器电阻的变化趋势可对试件的破坏形式进行提前判断，最终有效的避免灾难性破坏的发生。

图5所示为复合材料螺栓单钉连接试件主要的三种破坏形式，其中剪切破坏的破坏路径沿荷载方向发生劈裂破坏；拉伸破坏的破坏路径垂直于荷载方向发生在连接孔附近，显示为试件的断裂破坏；挤压破坏的破坏区域集中在连接孔的附近，显示为大面积的层间分层以及纤维断裂和基体破坏。

图6为采用本实施例的具有原位监测功能的复合材料螺栓连接接头100监测三种破坏形式的监测结果，根据上述不同破坏模式的损伤区域不同，从图中可以看到对于剪切破坏，两个通道的电阻均会出现不同程度的增长；而对于拉伸破坏，由于通道1处未受到损伤，因此通道1的电阻未发生变化，而通道2处发生断裂，导致导电通路被切断，因此通道2的电阻增长至无穷大；对于挤压破坏，通道1处未受到损伤，因此电阻未发生变化，而通道2处受到损伤导致电阻增大。根据此结果，可以根据电阻的变化情况推断出试件发生了哪种破坏。