基于复合材料与结构监测的仿生光纤及生成和自愈伤方法

摘要

本发明公开了基于复合材料与结构监测的仿生光纤及生成和自愈伤方法。它是基于光纤技术和复合材料损伤自修复技术，涉及一种仿生光纤的物理结构生成方法，所述仿生光纤的结构组成包括：塑料光纤、包层、纤芯和粘合剂。所述塑料光纤是裸光纤直径小于包层直径，所述包层材料是石英，所述纤芯是由低聚物、单体和光引发剂以一定比例配制而成的光固化剂。这样，仿生光纤的提出为复合材料与结构健康自诊断和自愈伤提供了一种新的方法，具有重要的理论和实际应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于仿生光纤设计领域，特别是涉及基于复合材料与结构监测的仿生光纤及生成和自愈伤方法。

背景技术

复合材料的自诊断和自愈伤研究是目前非常热门的课题之一。复合材料自愈伤方法根据愈合剂的嵌入与否，大致可以分为两类，本征和非本征自愈伤。本征型自愈伤原理是通过复合材料分子结构设计，使其在一定条件下可以发生可逆的愈合反应。而非本征自愈伤是需要借助于媒介中的愈合剂来完成自愈伤。例如研究较多的微胶囊自愈伤，当微胶囊或者空心纤维产生裂纹时，愈合剂从微胶囊中释放出来，愈合剂和裂纹表面发生反应黏合裂纹，从而实现自愈伤。目前，非本征自愈伤方法还包括空心纤维、纳米纤维(静电纺丝纤维)、碳纳米管、空心光纤及液芯光纤等。

微胶囊自愈伤是专家研究较多复合材料自愈伤方法之一，但是该方法存在许多不足，首先，该方法需要愈合剂与固化剂发生反应；其次，微胶囊的植入对纤维增强树脂复合材料的结构性能产生影响，而且对层间裂纹的愈伤效果不佳；第三，微胶囊裂纹产生需要的扩展力难以确定，无法保证微胶囊和复合材料的裂纹同时产生；最后，微胶囊自愈伤体系无法感知损伤的发生。与微胶囊体系相同，空心玻璃/纤维仿生自愈伤复合材料体系均采用双组份的愈合剂，需要愈合剂与固化剂接触并发生反应才能进行愈伤反应。同样的，包括类血管网络、碳纳米管、纳米纤维等方法均存在类似的问题，无法通过自身的特性感知损伤的发生。

而利用空心光纤进行复合材料损伤自愈伤体系的研究方案最早是由南京航空航天大学的陶宝祺院士课题组提出的，他们认为该体系一方面可以利用空心光纤组成自诊断传感器网络对复合材料的健康状态进行实时监测，另一方面通过向空心光纤注入胶液(愈合剂)对复合材料结构中的损伤、裂纹进行修复。该自愈伤方法不仅能够感知损伤，还能够实现自愈伤。而液芯光纤是由南京航空航天大学的赵志敏课题组提出的，该方法弥补了空心光纤在应用时需要另外注入愈合剂的缺点。本发明涉及的仿生光纤是在空心光纤和液芯光纤的基础上提出的，该仿生自修复机理是将内含光固化材料的液芯光纤埋入材料中，一旦材料在外力作用下光纤和复合材料同时破裂，液体光固化材料流出并流入裂纹，在光源的辐射下光固化材料发生固化，可使材料裂纹重新愈合。

发明内容

针对目前在结构健康监测(SHM)领域中的复合材料结构自诊断和自修复问题，本发明旨在提供基于复合材料与结构监测的仿生光纤及生成和自愈伤方法，，可以同时实现对复合材料结构载荷、损伤等健康状态的自诊断以及自愈伤。

本发明提供基于复合材料与结构监测的仿生光纤，所述仿生光纤包括涂覆层、包层、纤芯和光窗，所述纤芯采用光固化材料，所述包层为石英管，所述光窗为聚合物光纤设置在纤芯两端封闭包层端口，所述纤芯设置在包层内通过胶黏剂连结方式固定，所述涂覆层设置在包层外侧，所述涂覆层包括光屏蔽剂和胶粘剂，所述光屏蔽剂材料为炭黑，所述胶粘剂由基料、固化剂和填充剂组成，所述胶粘剂的基料为热固性环氧树脂，所述胶粘剂的固化剂为改性胺类，所述填充剂为氨基丙基三乙氧基硅烷。

作为本发明光纤进一步改进，所述纤芯采用光固化材料包括低聚物、单体和光引发剂，所述纤芯的低聚物为聚酯丙烯酸酯和双酚A环氧丙烯酸酯混合物，所述纤芯的单体为1，6己二醇二丙烯酸酯和丙烯酸异冰片酯的混合物，所述纤芯的光引发剂为1-羟基环己基苯甲酮、2，4，6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦和2-羟基—甲基-1-苯基丙酮的混合物。

本发明提供基于复合材料与结构监测的仿生光纤的生成方法，具体步骤如下：

步骤1)选好相应的石英管作为包层，在石英管中注入光固化材料；

步骤2)用聚合物光纤作为光窗连接石英管的两端，光窗与石英管间用胶粘剂粘合而成；

步骤3)将涂覆层涂布到包层材料的表面；

所述涂覆层操作步骤如下：

31)将炭黑与环氧树脂、固化剂充分混合均匀；

32)将偶联剂配成有机溶剂溶液，均匀的涂布在光纤表面；

33)待光纤表面的填充剂干燥后，将前面混合均匀的炭黑、基料和固化剂的混合材料涂布到包层材料表面。

本发明提供基于仿生光纤的复合材料与结构监测的仿生光纤表层自愈伤方法，具体步骤如下：

1)将一根仿生光纤埋入复合材料结构106表层中，制成仿生光纤-复合材料智能结构，如图2所示。

2)当复合材料结构受到外界的作用，如受外力而弯曲或者重物承载产生裂纹，如图3所示。而埋入的仿生光纤也会产生裂纹，纤芯(光固化材料)从仿生光纤中流出，并填满裂纹。

3)打开愈合光源，流出的纤芯材料在光的辐射下快速发生固化，从而对裂纹进行了光愈合，如图4所示。

本发明提供了基于复合材料与结构监测的仿生光纤及生成和自愈伤方法，它是基于光纤技术和复合材料损伤自修复技术，涉及一种仿生光纤的物理结构生成方法，所述仿生光纤的结构组成包括：塑料光纤、包层、纤芯和粘合剂。所述塑料光纤是裸光纤直径小于包层直径，所述包层材料是石英，所述纤芯是由低聚物、单体和光引发剂以一定比例配制而成的光固化剂。这样，仿生光纤的提出为复合材料与结构健康自诊断和自愈伤提供了一种新的方法，具有重要的理论和实际应用价值。

附图说明

图1仿生光纤结构设计图；

图2仿生光纤-复合材料智能结构；

图3仿生光纤-复合材料智能结构自愈伤过程；

图4自愈伤完成图；

图5试验系统装置图；

图中符号说明：

101、涂覆层；102、包层；103、纤芯；104、光窗；105、仿生光纤；106、复合材料结构；107、纤维增强层

108、通信光源；109、愈合光源；110、位移加载器；111、仿生光纤-复合材料智能结构；112、光电检测电路；113、电压表；114、光耦合器；

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明旨在提供基于复合材料与结构监测的仿生光纤及其生成方法，可以同时实现对复合材料结构载荷、损伤等健康状态的自诊断以及自愈伤。

本发明提供如图1所示基于复合材料与结构监测的仿生光纤，所述仿生光纤包括涂覆层101、包层102、纤芯103和光窗104，其特征在于，所述纤芯103采用光固化材料，所述包层102为石英管，所述光窗104为聚合物光纤设置在纤芯103两端封闭包层102端口，所述纤芯103设置在包层102内通过胶黏剂连结方式固定，所述涂覆层101设置在包层102外侧，所述涂覆层101包括光屏蔽剂和胶粘剂，所述光屏蔽剂材料为炭黑，所述胶粘剂由基料、固化剂和填充剂组成，所述胶粘剂的基料为热固性环氧树脂，所述胶粘剂的固化剂为改性胺类，所述填充剂为氨基丙基三乙氧基硅烷；

本发明包层为石英材料构成，制作时本发明选用石英管，在石英管中注入光固化材料。

本发明纤芯的功能是导光和在光辐射的作用下愈合损伤。

光窗是由普通聚合物光纤连接石英管的两端，其间用胶粘剂粘合而成。其功能包括一方面封闭仿生光纤的端口，另一方面将传导光束耦合进仿生光纤。

本发明所述纤芯采用光固化材料包括低聚物、单体和光引发剂，所述纤芯的低聚物为聚酯丙烯酸酯和双酚A环氧丙烯酸酯混合物，所述纤芯的单体为1，6己二醇二丙烯酸酯和丙烯酸异冰片酯的混合物，所述纤芯的光引发剂为1-羟基环己基苯甲酮、2，4，6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦和2-羟基—甲基-1-苯基丙酮的混合物。

本发明提供基于复合材料与结构监测的仿生光纤的生成方法，具体步骤如下：

步骤1)选好相应的石英管作为包层，在石英管中注入光固化材料；

步骤2)用聚合物光纤作为光窗连接石英管的两端，光窗与石英管间用胶粘剂粘合而成；

步骤3)将涂覆层涂布到包层材料的表面；

所述涂覆层操作步骤如下：

31)将炭黑与环氧树脂、固化剂充分混合均匀；

32)将偶联剂配成有机溶剂溶液，均匀的涂布在光纤表面；

33)待光纤表面的填充剂干燥后，将前面混合均匀的炭黑、基料和固化剂的混合材料涂布到包层材料表面。

基于仿生光纤的复合材料与结构表层自愈伤方法，具体步骤如下：

1)将一根仿生光纤105埋入复合材料结构106表层中，制成仿生光纤-复合材料智能结构，如图2所示。

2)当复合材料结构受到外界的作用，如受外力而弯曲或者重物承载产生裂纹，如图3所示。而埋入的仿生光纤也会产生裂纹，纤芯103(光固化材料)从仿生光纤中流出，并填满裂纹。

3)打开愈合光源109，流出的纤芯材料103在光的辐射下快速发生固化，从而对裂纹进行了光愈合，如图4所示。

仿生光纤传光特性及复合材料自愈伤实验，包括以下步骤：

第一步骤：搭建实验系统测试平台步骤，以玻纤增强E-51环氧树脂基复合材料结构健康状态为例，将仿生光纤埋入其中，构成仿生光纤智能复合材料结构(如图2所示)，系统装置如图5示，由108-通信光源、109-愈合光源、111-仿生光纤-复合材料智能结构、112-光电检测电路、113-电压表构成和114-光耦合器，其中112由PIN硅光电二极管和信号放大电路构成。

第二步骤：对复合材料板不做任何加载或损伤破坏处理，得到复合材料在健康状态下光纤输出的数据值，稳定后，记录电压表的数值。

第三步骤：采用位移加载器对复合材料中埋有仿生光纤的区域进行加载试验，记录加载后的数据；

第四步骤：对复合材料中埋有仿生光纤的区域进行破坏试验，致使仿生光纤复合材料智能结构产生裂纹，记录数据；

第五步骤：打开愈合光源，三分钟后，记录电压表数值。

根据以上步骤，反复试验3次，记录的数据如表1所示。

表1实验数据表

根据表1的实验数据可以看出，当复合材料结构处在健康状态下，光纤输出的光强值都在6V左右，属于正常范围；当复合材料收到静态承载时，光纤输出值有一定的减小；当发生裂纹损伤之后，数值急剧下降，损伤之后，光纤基本失去通光功能，输出数值几乎减为0；但是当愈合光源被打开，约三分钟后，液体纤芯(光固化愈合剂)流出并填充裂纹，在愈合光源的照射下得以固化，最终裂纹被愈合，光路得以连通，输出电压值增大，但是由于裂纹损伤已经发生，无法恢复到原来的通信能力，因此，相比在健康状态下的数值要小。

本发明研究结果表明，设计的仿生光纤在复合材料结构的自诊断和自愈伤方面具有重要的应用价值。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例之一，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。