一种检测碳纤维树脂基复合材料可靠性的方法

本发明涉及一种检测碳纤维基复合材料可靠性的方法，尤其涉及树脂基碳纤维增强复合材料在成型、服役阶段结构变化的有效识别手段。

背景技术：

1、碳纤维树脂基复合材料(cfrp)比模量、比强度高，且耐高温、耐腐蚀，主要用作航天器中主承力构件，但是在使用过程中，不仅要承受长期而复杂的疲劳载荷和意外冲击载荷的作用，而且还要承受温度、湿度等严苛的外部环境因素的考验；这些因素不论是单独还是同时作用，均可导致cfrp的性能发生变化或被破坏，然而由于cfrp本身的结构特点及所受载荷和使用环境的复杂性，使得其完整性与耐久性分析变得十分困难。因此，及时发现该类材料中的结构损伤与破坏，对避免造成突发性破坏与结构失效具有重要意义。

2、cfrp在制造过程中会产生的不可避免的孔隙、夹杂、固化不完全等缺陷，以及在整个服役过程中受到的老化、雷击、外来物撞击等引起的各类损伤。这些场作用引起的材料结构的变化通常以分层、纤维-基体脱粘以及纤维断裂的形式出现，也经常发生在材料内部，外表面不可见或相对微小，但是它们对材料结构件的安全服役构成极大的威胁，因此，有必要对其微结构的变化及有效性的演变进行检测。

3、目前，研究主要利用红外光谱(fi-tr)、x射线衍射(xrd)、差式扫描量热(dsc)等先进仪器对成品的各类性能参数进行检测分析，进而做出调整，但由于高昂的检测成本，这并不适合推广于实际工业应用。与常规的检测手段相比，无损检测立足于测定和评价物体内部或者表面物理和机械性能及各类缺陷和其他技术参数时不破坏或不损坏受检对象，近年来受到广泛关注。目前常用的无损检测技术主要有敲击法、表面渗透法等简便检测方法；声波发射探测法等基于声发射的方法，利用超声波在材料内部传播中的衰减变化量实现缺陷检测定位。该方法可以较好识别碳纤维复合材料的内部分层、孔隙类缺陷，但是对于较厚的多相铺层复合材料的内部衰减效应很大，超声信号微弱，适应性较差；还有射线检测法、ct照相法等基于成像技术的方法，该类方法通过检测穿透构件的射线信号强度实现缺陷检测。此方法能有效检测复合材料在冲击剪切载荷下的裂纹、脱粘和层间分层等损伤。但是该方法受构件几何形状限制，采集数据规模大，检测效率相对较低且检测过程存在辐射污染；涡流法是近年来发展较快的一类无损检测的方法，利用电磁感应检测缺陷引起的电导率突变。可以用来检测分析复合材料中由于碳纤维预浸料成型缺陷、纤维断裂、冲击损伤、分层、疲劳等引起的材料导电性变化的缺陷。但是该方法无法检测复合材料中基质裂纹、树脂界面脱粘等损伤。综上所述，这些方法虽然对一定的损伤形式能进行比较精确的检测，但是它们在实际测量过程中都有一定的局限性，并且损伤发生早期的微小损伤不敏感。因此，如何对cfrp结构的潜在和实际损伤及有损伤的扩展进行原位检测，并快速评价其对结构可靠性的影响，是目前cfrp在航空航天等高端领域应用中亟需改善的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了拓展cfrp微结构变化的识别手段，从而突破cfrp材料或结构件的可控复合、修复技术难题，而提出了一种检测碳纤维基复合材料可靠性的方法，对其结构及性能有效性演变规律建立起一种“原位，无损，有效，快速”的检测方法。

2、本发明的技术方案为：与其它无损检测技术相比，电检测不受材料形态限制影响，不仅能检测成型件中的各类宏观损伤，还能针对不同服役环境条件下cfrp制件的细观缺陷检测中发挥优势。cfrp是一种多相非均质材料，且表现为各向异性电学特性，这使得cfrp结构中的电场传播特性显著区别于金属材料(各向同性)。若将cfrp看作导体材料(碳纤维)和绝缘材料(树脂基体)的组合，cfrp在电学上可以简单视作一个rc电路其结构变化通常表现为电路特性参数的变化。只要检测材料在损伤过程中阻抗值或电性能参量的异常变化，便可实现结构变化的检测。

3、本发明的具体技术方案如下：一种检测碳纤维树脂基复合材料可靠性的方法，其具体步骤如下：

4、(1)根据碳纤维树脂基复合材料cfrp材料中碳纤维在树脂基体中的分散形式或铺层方式，构效出rc电路图；立足于等效电路图，结合碳纤维的种类、树脂基体的种类，计算出电路中的理论电阻r和电容c值；

5、(2)用电检测设备获取待测制件的多点r、c值；

6、(3)通过对比实测r、c值与理论值，判断实际等效电路中发生变化的电容和电阻位置，从而识别cfrp中微结构发生变化的种类及位置。

7、优选所述的碳纤维为长单丝纤维或长单丝纤维的编织物。优选所述的树脂基体为绝缘树脂。更优选所述的树脂基体为酚醛树脂、三聚氰胺树脂、聚酯树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、二苯醚树脂、有机硅树脂或有机氟树脂。

8、所述的电检测设备包括可以获取到电阻、电容值的所有检测设备。

9、本发明的实验操作过程简易可控，为原位准确识别复杂结构的cfrp材料及制件微结构变化提供了一种快速、有效、无损的智能方法。该方法的实施普适性强。

10、有益效果：

11、1.采用该种方法检测的制件不受几何形状、内部分散形式、铺层结构的限制，信号响应灵敏。

12、2.检测响应快速，检测效率高，且检测过程条件温和、环保。

13、3.该检测方法实现实测数据与理论基础相结合，通过实测数据，进行理论计算，从而进一步服务于实际，实现制件的实时监测和修复。

技术特征：

1.一种检测碳纤维树脂基复合材料可靠性的方法，其具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的碳纤维为长单丝纤维或长单丝纤维的编织物。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的树脂基体为绝缘树脂。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的树脂基体为酚醛树脂、三聚氰胺树脂、聚酯树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、二苯醚树脂、有机硅树脂或有机氟树脂。

技术总结
本发明涉及一种检测碳纤维树脂基复合材料可靠性的方法。基于碳纤维独特的导电特性、树脂优异的绝缘性以及复合结构特殊的结构特征，构效出复合结构阻容特征模型。通过获取复合材料在场作用下的电响应数据，识别复合材料微结构的变化，是一种原位、无损、有效、快速的检测方法。

技术研发人员：黄培,俞娟
受保护的技术使用者：南京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23