西安工程大学樊威教授团队《Compos. Part B-Eng.》：在智能3D纺织复合材料方面取得重要进展

2022-08-19 来源：高分子科技

先进3D纺织复合材料，如3D编织、3D针织、3D编织和3D缝合复合材料广泛应用在航空航天领域。在长期的使用过程中，3D纺织复合材料的内部不可避免地会发生一些疲劳损伤，例如微裂纹、局部纤维断裂等。虽然这种微观损伤可能不会显著降低先进3D纺织复合材料的整体力学性能，但它会逐渐演化直到宏观损伤，导致结构件的灾难性失效。因此，实时在线损伤监测对于3D纺织复合材料的安全服役至关重要。

西安工程大学樊威教授团队制备了一种聚偏二氟乙烯压电纱线（PVDF压电纱线），用于先进3D纺织复合材料的实时损伤监测。如图1所示，通过静电纺在碳纤维表面包覆一层PVDF纳米纤维得到CF@PVDF纳米包覆纱，然后将碳纤维通过二维编织工艺编织在CF@PVDF纳米包覆纱上得到CF@PVDF@CF压电纱线。为了防止在后续固化过程中树脂过度浸入影响纱线的压电信号，通过共轭静电纺丝技术将聚氨酯（PU）包覆在CF@PVDF@CF压电纱上，最终得到PVDF压电纱线。随后，将PVDF压电纱线与碳纤维进行三向正交织物的织造，通过RTM固化工艺得到三向正交压电复合材料(3DOPC)，如图2所示。

图1 PVDF压电纱线的制备工艺及形貌

图2 3D机织复合材料的制备与力学性能分析

如图3所示，首先，对PVDF压电纱线进行了压电效应进行测试，以确定压电信号的产生来自于PVDF；其次，测试了不同长度和不同频率下压电纱线产生的压电信号，得出当压电纱线长度为15 cm和频率为4 Hz时，可以产生1 V左右的压电信号并且在高频率下可以稳定维持3200次压电输出。

图3 PVDF压电纱线的电信号响应测试

将PVDF压电纱线嵌入到3D正交复合材料中，通过三点弯曲试验实现了对先进3D纺织复合材料的在线健康监测，如图4所示。通过弯曲疲劳和模态试验得出，本工作中提出的PVDF压电纱线传感器可实现长期、低频、高频和稳定的监测，如图5-6所示。从而在复合材料压电传感器的损伤监测中显示出良好的潜力和广泛的应用。

图4静态三点弯曲试验与PVDF压电纱线电信号的响应关系

图5 建立三点弯曲疲劳试验与PVDF压电纱线电信号的响应关系。

图6 模态测试过程中3DOPC振动幅度与产生的电信号之间的响应关系

综上所述，压电纱线可以嵌入到各种3D织物中，以监测复合材料的健康状态。此外，微观和宏观损伤可以通过不同的压电信号来识别，因为微观和宏观损伤引起的振动程度不同。弯曲疲劳试验表明，压电纱线的信号监测可以持续到复合材料失效阶段之后。弯曲模态测试结果表明，压电纱线足够精确，可以检测到低级振动问题。从而使得先进3D纺织复合材料的实时监测成为可能并广泛应用在各种领域，如将该智能三向正交复合材料用作飞机机翼的结构件，可以实现对机翼健康性能的实时监测，避免因长期微裂纹积累导致的突然失效造成的灾难性后果。

该工作以研究论文形式发表在复合材料领域TOP期刊Composites Part B: Engineering 上（中科院大类一区，IF=11.322）。第一作者为西安工程大学樊威教授团队硕士研究生康敬玉，共同第一作者刘涛副教授，通讯作者为樊威教授，合作者包括北京纳米能源所董凯副研究员，西安交通大学王淑娟副教授，陕西省纺织研究院有限公司白媛，西安工程大学硕士研究生陆瑶、陆琳琳、姚莹、李博。该研究得到国家自然科学基金面上项目、中央军委装备发展部装备项目管理中心超高温结构复合材料重点实验室、咸阳市科学技术局重点研发计划、陕西省高校科协青年人才托举项目、陕西省技术创新指导专项规划、西安市科学技术局重大科技成果就地转化资助项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110229

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（责任编辑：xu）

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