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西安工程大學(xué)樊威教授團隊《Compos. Part B-Eng.》：在智能3D紡織復(fù)合材料方面取得重要進展
2022-08-19  來源：高分子科技

  先進3D紡織復(fù)合材料，如3D編織、3D針織、3D編織和3D縫合復(fù)合材料廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域。在長期的使用過程中，3D紡織復(fù)合材料的內(nèi)部不可避免地會發(fā)生一些疲勞損傷，例如微裂紋、局部纖維斷裂等。雖然這種微觀損傷可能不會顯著降低先進3D紡織復(fù)合材料的整體力學(xué)性能，但它會逐漸演化直到宏觀損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件的災(zāi)難性失效。因此，實時在線損傷監(jiān)測對于3D紡織復(fù)合材料的安全服役至關(guān)重要。


  西安工程大學(xué)樊威教授團隊制備了一種聚偏二氟乙烯壓電紗線（PVDF壓電紗線），用于先進3D紡織復(fù)合材料的實時損傷監(jiān)測。如圖1所示，通過靜電紡在碳纖維表面包覆一層PVDF納米纖維得到CF@PVDF納米包覆紗，然后將碳纖維通過二維編織工藝編織在CF@PVDF納米包覆紗上得到CF@PVDF@CF壓電紗線。為了防止在后續(xù)固化過程中樹脂過度浸入影響紗線的壓電信號，通過共軛靜電紡絲技術(shù)將聚氨酯（PU）包覆在CF@PVDF@CF壓電紗上，最終得到PVDF壓電紗線。隨后，將PVDF壓電紗線與碳纖維進行三向正交織物的織造，通過RTM固化工藝得到三向正交壓電復(fù)合材料(3DOPC)，如圖2所示。 


圖1 PVDF壓電紗線的制備工藝及形貌 


圖2 3D機織復(fù)合材料的制備與力學(xué)性能分析


  如圖3所示，首先，對PVDF壓電紗線進行了壓電效應(yīng)進行測試，以確定壓電信號的產(chǎn)生來自于PVDF；其次，測試了不同長度和不同頻率下壓電紗線產(chǎn)生的壓電信號，得出當(dāng)壓電紗線長度為15 cm和頻率為4 Hz時，可以產(chǎn)生1 V左右的壓電信號并且在高頻率下可以穩(wěn)定維持3200次壓電輸出。 


圖3 PVDF壓電紗線的電信號響應(yīng)測試


  將PVDF壓電紗線嵌入到3D正交復(fù)合材料中，通過三點彎曲試驗實現(xiàn)了對先進3D紡織復(fù)合材料的在線健康監(jiān)測，如圖4所示。通過彎曲疲勞和模態(tài)試驗得出，本工作中提出的PVDF壓電紗線傳感器可實現(xiàn)長期、低頻、高頻和穩(wěn)定的監(jiān)測，如圖5-6所示。從而在復(fù)合材料壓電傳感器的損傷監(jiān)測中顯示出良好的潛力和廣泛的應(yīng)用。 


圖4靜態(tài)三點彎曲試驗與PVDF壓電紗線電信號的響應(yīng)關(guān)系


 圖5 建立三點彎曲疲勞試驗與PVDF壓電紗線電信號的響應(yīng)關(guān)系。


 圖6 模態(tài)測試過程中3DOPC振動幅度與產(chǎn)生的電信號之間的響應(yīng)關(guān)系


  綜上所述，壓電紗線可以嵌入到各種3D織物中，以監(jiān)測復(fù)合材料的健康狀態(tài)。此外，微觀和宏觀損傷可以通過不同的壓電信號來識別，因為微觀和宏觀損傷引起的振動程度不同。彎曲疲勞試驗表明，壓電紗線的信號監(jiān)測可以持續(xù)到復(fù)合材料失效階段之后。彎曲模態(tài)測試結(jié)果表明，壓電紗線足夠精確，可以檢測到低級振動問題。從而使得先進3D紡織復(fù)合材料的實時監(jiān)測成為可能并廣泛應(yīng)用在各種領(lǐng)域，如將該智能三向正交復(fù)合材料用作飛機機翼的結(jié)構(gòu)件，可以實現(xiàn)對機翼健康性能的實時監(jiān)測，避免因長期微裂紋積累導(dǎo)致的突然失效造成的災(zāi)難性后果。


  該工作以研究論文形式發(fā)表在復(fù)合材料領(lǐng)域TOP期刊Composites Part B: Engineering 上（中科院大類一區(qū)，IF=11.322）。第一作者為西安工程大學(xué)樊威教授團隊碩士研究生康敬玉，共同第一作者劉濤副教授，通訊作者為樊威教授，合作者包括北京納米能源所董凱副研究員，西安交通大學(xué)王淑娟副教授，陜西省紡織研究院有限公司白媛，西安工程大學(xué)碩士研究生陸瑤、陸琳琳、姚瑩、李博。該研究得到國家自然科學(xué)基金面上項目、中央軍委裝備發(fā)展部裝備項目管理中心超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料重點實驗室、咸陽市科學(xué)技術(shù)局重點研發(fā)計劃、陜西省高？茀f(xié)青年人才托舉項目、陜西省技術(shù)創(chuàng)新指導(dǎo)專項規(guī)劃、西安市科學(xué)技術(shù)局重大科技成果就地轉(zhuǎn)化資助項目的資助。


  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110229

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