一种纤维增强复合材料吸湿状况的监测结构、制备方法及检测方法

摘要

本申请实施例公开了一种纤维增强复合材料吸湿状况的监测结构、制备方法及检测方法，监测结构包括：至少两层依次层叠布置的纤维层；用于将所述纤维层固化成统一整体的基体，每层所述纤维层与所述基体之间形成界面层；以及布置于所述界面层的界面湿度传感器；其中，所述界面湿度传感器上牵引出用于电连接的电极。根据本发明，其能够对纤维增强复合材料的吸湿状况进行监测，并且布置的传感器能够在吸收一定湿度后阻止或延缓水分进一步侵入复合材料。

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料领域，特别涉及一种纤维增强复合材料吸湿状况的监测结构、制 备方法及检测方法。

背景技术

纤维增强树脂基复合材料是一种先进的复合材料，由于其优良的力学性能，在国防领 域中，其被广泛应用于军用飞机，航天器、火箭等先进装备中；在民用领域中又被广泛地 使用在汽车、化工、建筑、医疗等关系着日常生活的重要位置。随着纤维复合材料的应用领域不断拓展，使用环境不断增多，对纤维复合材料的环境适应性的要求不断提高。其中，纤维复合材料在湿热条件下的吸湿性是极为重要的一环。

纤维复合材料板由纤维和树脂基体制成。由于纤维的特性及树脂高分子链间存在大量 空隙，复合材料板有较大的吸湿性。然而复合材料在使用过程中，不可避免会在湿热条件 下工作，复合材料吸湿后，对其各方面性能都有较大影响。如何监测其吸湿情况以便及时 维修、更换复合材料，及增强其抗湿性是一大问题。

有鉴于此，实有必要开发一种纤维增强复合材料吸湿状况的监测结构、制备方法及检 测方法，用以解决上述问题。

发明内容

本申请的实施例提供一种纤维增强复合材料吸湿状况的监测结构、制备方法及检测方 法，其能够对纤维增强复合材料的吸湿状况进行监测，并且布置的传感器能够在吸收一定 湿度后阻止或延缓水分进一步侵入复合材料。

为了解决上述技术问题，本申请的实施例公开了如下技术方案：

一方面，提供了一种纤维增强复合材料吸湿状况的监测结构，包括：

至少两层依次层叠布置的纤维层；

用于将所述纤维层固化成统一整体的基体，每层所述纤维层与所述基体之间形成界面 层；以及

布置于所述界面层的界面湿度传感器；

其中，所述界面湿度传感器上牵引出用于电连接的电极。

结合上述第一方面，在第一种可能的实现方式中，所述界面湿度传感器的制备材料包 括：导电材料和水凝胶。

可选的，所述导电材料为碳纳米管和石墨烯中的至少一种。

可选的，所述水凝胶为天然高分子水凝胶和合成高分子凝胶中的至少一种。

结合上述第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式 中，两两所述纤维层之间铺设入所述界面湿度传感器后通过真空辅助树脂注射法往纤维层 间注入所述基体。

结合上述第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式 中，所述界面湿度传感器在所述界面层中沿平行于所述纤维层的方向等间距铺设。

可选的，所述界面湿度传感器在所述界面层中沿垂直于所述纤维层的方向等间距铺 设。

可选的，所述界面湿度传感器呈片状结构并且其厚度不超过所述纤维层中单根纤维直 径的30％～50％。

可选的，所述界面湿度传感器的吸水膨胀率不超过120％～200％。

可选的，所述纤维层为平面板状结构、弧形板状结构及圆管形结构中的任意一种。

可选的，所述纤维层所用的纤维为碳纤维、硼纤维、芳纶纤维或碳化硅纤维中的至少 一种。

另一方面，提供了一种如上述任一项所述的纤维增强复合材料吸湿状况的监测结构的 制备方法，包括以下步骤：

步骤S1，将导电材料加入到水凝胶材料中，加入交联剂、引发剂，充分搅拌反应后，倒入模具中固化成型获得所述界面湿度传感器；

步骤S2，将步骤S1制成的界面湿度传感器铺设在纤维表面预设位置处，随后加入基 体，制备获得所述纤维增强复合材料吸湿状况的监测结构。

又一方面，提供了一种如上述任一项所述的纤维增强复合材料吸湿状况的监测结构进 行检测的检测方法，包括以下步骤：

步骤T1，将导电材料加入到水凝胶材料中，加入交联剂、引发剂，充分搅拌反应后，倒入模具中固化成型获得所述界面湿度传感器；

步骤T2，将步骤T1制成的界面湿度传感器铺设在纤维表面预设位置处，随后加入基 体，制备获得所述纤维增强复合材料吸湿状况的监测结构；

步骤T3，将电阻测量仪电连接至所述界面湿度传感器上牵引出的电极上；

步骤T4，将监测结构插入去离子水中，使得监测结构中的界面湿度传感器位于去离 子水的水位线之上，防止界面湿度传感器直接接触水环境带来的电阻信号测量不准确及不 能准确表征吸湿行为，随后打开电阻测量仪，记录电阻数据；

步骤T5，将监测结构插入去离子水中一定时间后，水分子扩散至界面湿度传感器处 时，界面湿度传感器吸水膨胀，电阻发生变化，界面湿度传感器膨胀形成的体积可以储存 水分，填补基体高分子链间的空隙，降低水分子扩散速率，将电阻测量仪所记录数据进行 处理，分析得到纤维增强复合材料的吸湿状况及抗湿性增强的比值。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：在吸湿过程中，由于水分 子扩散至界面湿度传感器处时，界面湿度传感器吸水膨胀，电阻发生变化，通过监测电阻 变化率可以监测复合材料的吸湿程度，而界面湿度传感器膨胀形成的体积一方面可以储存 水分，另一方面可以填补基体高分子链间的空隙，降低水分子扩散速率，从而阻止或延缓 水分的进一步侵入，从而实现对纤维增强复合材料的吸湿状况进行监测，并且布置的传感 器能够在吸收一定湿度后阻止或延缓水分进一步侵入复合材料。

上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：由于电阻测量仪所记录 数据进行处理，能够分析得到纤维增强复合材料的吸湿状况及抗湿性增强的比值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍，显 而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制，其中：

图1为本发明实施例所提供的一种界面湿度传感器的微观结构；

图2为本发明实施例所提供的一种界面湿度传感器的铺设方法；

图3为本发明实施例所提供的一种纤维增强复合材料吸湿状况的监测结构；

图4为本发明实施例所提供的一种纤维增强复合材料吸湿性的监测装置；

图5为本发明实施例所提供的一种界面湿度传感器增强复合材料抗湿性的原理；其中，各附图标记的含义为：

1-导电材料； 2-水凝胶；

3-界面湿度传感器； 4-纤维束；

5-复合材料构件； 6-铺设界面湿度传感器的位置；

7-电极； 8-电阻测量仪；

9-导线； 10-盛有去离子水的烧杯；

11-树脂高分子链； 12-水分子。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完 整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方 式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得 的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在附图中，为清晰起见，可对形状和尺寸进行放大，并将在所有图中使用相同的附图 标记来指示相同或相似的部件。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般 技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、 “第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组 成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在 至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的 元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不 排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描 述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

在下列描述中，诸如中心、厚度、高度、长度、前部、背部、后部、左边、右边、顶 部、底部、上部、下部等用词是相对于各附图中所示的构造进行定义的，特别地，“高度” 相当于从顶部到底部的尺寸，“宽度”相当于从左边到右边的尺寸，“深度”相当于从前到 后的尺寸，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行 相应地变化，所以，也不应当将这些或者其他的方位用于解释为限制性用语。

涉及附接、联接等的术语(例如，“连接”和“附接”)是指这些结构通过中间结构彼此直接或间接固定或附接的关系、以及可动或刚性附接或关系，除非以其他方式明确地说明。

实施例一

请参见图2及图3所示，图2示出了本发明实施例所提供的一种界面湿度传感器的铺 设方法，图3示出了本发明实施例提供的一种纤维增强复合材料吸湿状况的监测结构。具 体地，纤维增强复合材料吸湿状况的监测结构包括：

至少两层依次层叠布置的纤维层；

用于将所述纤维层固化成统一整体的基体，每层所述纤维层与所述基体之间形成界面 层；以及

布置于所述界面层的界面湿度传感器3；

其中，所述界面湿度传感器3上牵引出用于电连接的电极7。在图2示出的实施例中可以看出，每层纤维层均由同层布置的若干纤维束4按预定的编制方法制备而成。

进一步地，所述界面湿度传感器的制备材料包括：导电材料和水凝胶。

进一步地，所述导电材料1为碳纳米管和石墨烯中的至少一种。在本实施例中，优选 的导电材料为碳纳米管。

进一步地，所述水凝胶2为天然高分子水凝胶和合成高分子凝胶中的至少一种。在本 实施例中，优选的水凝胶为合成高分子凝胶。

参照图1，图1示出了为本发明实施例提供的一种界面湿度传感器3的微观结构。本实施例提供了一种具有良好导电性、遇水吸湿膨胀的界面湿度传感器3，将导电材料1加 入到水凝胶2中，并加入交联剂、引发剂，充分搅拌反应后，倒入模具中固化成型即可获 得所述界面湿度传感器3。由图1可看出，由于水凝胶2具有多孔网状结构，导电材料1 通过空隙插入水凝胶2中后可以在孔隙间充分接触，并具有良好导电性，参照图5，界面 湿度传感器3遇水后，水凝胶的网状结构可以将水分储存于其中，整体发生膨胀，体积增 加，界面湿度传感器3吸水膨胀，电阻发生变化，通过监测电阻变化率可以监测复合材料 的吸湿程度，而界面湿度传感器3膨胀形成的体积一方面可以储存水分，另一方面可以填 补基体高分子链间的空隙，降低水分子扩散速率，从而阻止或延缓水分的进一步侵入，从 而实现对纤维增强复合材料的吸湿状况进行监测，并且布置的传感器能够在吸收一定湿度 后阻止或延缓水分进一步侵入复合材料。

请参见图3及图5所示，图5所示的为本发明实施例提供的一种纤维增强复合材料的 抗湿原理，具体地，如图3所述的监测结构吸水前，基体树脂高分子链11缠绕在纤维束 4表面附近，由于树脂高分子链间存在大量空隙，水分可以扩散，所以监测结构具有较强 吸水性；监测结构吸水后，水分子12被界面湿度传感器储存了起来，降低了吸湿速率； 同时，界面湿度传感器3吸水膨胀，减少了树脂高分子链间的空隙，进一步降低水分子扩 散速率。

进一步地，在两两所述纤维层之间铺设入所述界面湿度传感器后通过真空辅助树脂注 射法往纤维层间注入所述基体。

参照图2，所述界面湿度传感器3在所述界面层中沿平行于所述纤维层的方向等间距 铺设。另外，所述界面湿度传感器3在所述界面层中也可沿垂直于所述纤维层的方向等间 距铺设。

进一步地，所述界面湿度传感器3呈片状结构并且其厚度不超过所述纤维层中单根纤 维直径的30％～50％。

进一步地，所述界面湿度传感器的吸水膨胀率不超过120％～200％。

进一步地，所述纤维层为平面板状结构、弧形板状结构及圆管形结构中的任意一种。 图2及图3中示出的纤维层成平面板状结构。

进一步地，所述纤维层所用的纤维为碳纤维、硼纤维、芳纶纤维或碳化硅纤维中的至 少一种。

实施例二

本实施例提供了一种纤维增强复合材料吸湿状况的监测结构的制备方法，包括以下步 骤：

步骤S1，将导电材料1加入到水凝胶材料2中，加入交联剂、引发剂，充分搅拌反 应后，倒入模具中固化成型获得所述界面湿度传感器3；

步骤S2，将步骤S1制成的界面湿度传感器3铺设在纤维表面预设位置处，随后加入基体，制备获得所述纤维增强复合材料吸湿状况的监测结构。

本实施例制备获得的纤维增强复合材料吸湿状况的监测结构的功能与实施例一实现 的功能相对应，所以关于本实施例的其他功能可参见实施例一中的内容，在此不再一一赘 述。

实施例三

请参见图3所示，图3所示的为本发明实施例提供的又一种图片标注词推荐方法。本 实施例提供的方法可以按照标注日期对标注词进行排序，从而使用户了解到，哪些标注词 属于日期较近的词汇，这些日期较近的词汇可能属于网络最新用语；哪些标注词属于日期 较远的词汇，这些日期较远的词汇可能属于经典怀旧用语。在按照标注日期排序后，更加 方便用户从日期的角度进行选择。本实施例提供的方法包括：

本实施例，提供了一种利用纤维增强复合材料吸湿状况的监测结构进行检测的检测方 法，包括以下步骤：

步骤T1，将导电材料1加入到水凝胶材料2中，加入交联剂、引发剂，充分搅拌反 应后，倒入模具中固化成型获得所述界面湿度传感器3；

步骤T2，将步骤T1制成的界面湿度传感器3铺设在纤维表面预设位置处，随后加入基体，制备获得所述纤维增强复合材料吸湿状况的监测结构；

步骤T3，将电阻测量仪8电连接至所述界面湿度传感器上牵引出的电极上；

步骤T4，将监测结构插入去离子水中，使得监测结构中的界面湿度传感器3位于去离子水的水位线之上，防止界面湿度传感器直接接触水环境带来的电阻信号测量不准确及不能准确表征吸湿行为，随后打开电阻测量仪，记录电阻数据；

步骤T5，将监测结构插入去离子水中一定时间后，水分子扩散至界面湿度传感器3处时，界面湿度传感器3吸水膨胀，电阻发生变化，界面湿度传感器3膨胀形成的体积可 以储存水分，填补基体高分子链间的空隙，降低水分子扩散速率，将电阻测量仪所记录数 据进行处理，分析得到纤维增强复合材料的吸湿状况及抗湿性增强的比值。

请参见图4所示，图4所示的为本发明实施例提供的一种纤维增强复合材料吸湿性的 监测装置。本实施例提供的装置可以成功地监测纤维增强复合材料在湿热环境下的吸湿状 况，推算出吸湿速率及增强抗吸湿性。本实施例提供的装置包括：将图3所示的纤维增强 复合材料监测结构的一端垂直放入盛有去离子水的烧杯10中，应当注意的是去离子水水 位应在所有界面湿度传感器之下。将电阻测量仪8的导线9连接到复合材料表面的各个压 片电极7上。监测结构一端遇水后，水分子沿着纤维束垂直向上扩散，到达界面湿度传感器3处时会引起传感器电阻变化。打开电阻测量仪，记录各处界面湿度传感器3的电阻变化，从而得到所述复合材料的吸湿情况，进而推算出吸湿速率。由于界面湿度传感器的特性3，复合材料抗湿性得到了提高。

本实施例所使用的纤维增强复合材料吸湿状况的监测结构的功能与实施例一实现的 功能相对应，所以关于本实施例的其他功能可参见实施例一中的内容，在此不再一一赘述。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改 和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

本文中所描述的不同实施方案的零部件可经组合以形成上文未具体陈述的其它实施 例。零部件可不考虑在本文中所描述的结构内而不会不利地影响其操作。此外，各种单独 零部件可被组合成一或多个个别零部件以执行本文中所描述的功能。

此外，尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列 运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易 地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不 限于特定的细节和这里示出与描述的图例。