[发明专利]一种自监测自修复碳纤维增强复合材料智能结构

说明书

本发明公开了一种自监测自修复碳纤维增强复合材料智能结构，包括复合材料基体以及碳纤维层，所述碳纤维层中安装有与外部电阻测量装置连接的电极；所述复合材料基体中设有至少一组孔道，每组孔道包括相互靠拢并且沿着相同方向延伸的两条孔道；每组中的两条孔道分别注入不同组份树脂胶，同一组的两条孔道中的树脂在孔道发生破坏时相遇后会发生固化；本发明将碳纤维和复合材料进行集成，不仅可大幅提高复合材料的强度，而且能够实现结构状态自监测以及损伤在线原位自修复，可有效避免严重事故的发生，以及减少损伤修复时间和成本。

技术领域

本发明涉及碳纤维增强复合材料制造技术领域，特别涉及一种自监测自修复碳纤维增强复合材料智能结构。

背景技术

碳纤维增强复合材料作为一种高强度轻量化材料广泛应用于汽车工业、航空航天、化工纺织和机械制造以及体育器械和建筑等领域。对使用的碳纤维增强复合材料结构进行状态检测，正确评估结构的实际性态，可有效避免重大事故的发生。目前主要采用离线方式进行检测，如红外热象法、冲击回波法、超声脉冲法等，这些方法均不能实时监测结构的状态。已有研究表明，碳纤维电阻值变化能够实时反映结构应力应变状态以及损伤等健康状态。充分挖掘碳纤维良好的导电特性，利用其良好的力阻特性，有望实现碳纤维增强复合材料结构状态的实时监测，对正确评定结果的实际性态，确定结构可靠性具有重要意义。

此外，当结构发生损伤时，需要停机或拆卸相关结构部件进行离线修复，目前尚缺乏有效的在线或原位修复方法。不同组份树脂具有在单独存放时为液态，相遇混合而固化的特性，通过合理设置不同组份树脂的位置关系，有望实现结构损伤的原位和在线自修复，可极大简化结构损伤修复的过程，节约时间和成本。

发明内容

本发明提供了一种自监测自修复碳纤维增强复合材料智能结构，通过实时测量碳纤维阻值变化，可实现结构状态的实时监测，并且在结构损伤时可实现结构损伤自修复。

一种自监测自修复碳纤维增强复合材料智能结构，包括复合材料基体以及碳纤维层，所述碳纤维层中安装有与外部电阻测量装置连接的电极；所述复合材料基体中设有至少一组孔道，每组孔道包括相互靠拢并且沿着相同方向延伸的两条孔道；每组中的两条孔道分别注入不同组份树脂胶，同一组的两条孔道中的树脂在孔道发生破坏时相遇后会发生固化。

使用时，将外部电阻测量装置通过电极接入碳纤维。外部电阻测量装置测量到碳纤维的阻值变化，可以判断打印结构的健康状态，当阻值发生突变时，意味结构内部已发生损伤，此时需要卸载智能结构上的载荷，等待两种组份树脂从损伤缝隙流出而融合固化实现损伤修复，固化结束后，原打印结构可继续工作。

为实现结构状态实时自监测，优选的，所述碳纤维层配合每组孔道布置至少一组碳纤维以及电极，配合的碳纤维沿着对应的孔道延伸。所述碳纤维层为连续碳纤维，且安装有与外部电阻测量装置连接的电极。对应每组孔道设置至少一组碳纤维和电极，从而可以监测所有设有孔道的部分智能结构的应力应变及损伤等状态，孔道修复对应损坏的部分智能结构。

优选的，配合的碳纤维与对应的孔道沿径向的间隔距离小于0.5倍的孔道最大直径，确保孔道内树脂在孔道发生破坏时能够与碳纤维层相遇而发生固化。

优选的，相邻组的孔道沿径向的间隔距离大于1倍孔道最大直径，避免相邻组孔道内同组份树脂在孔道发生破坏时相遇而导致不能充分固化。

优选的，同组内的两孔道沿径向的中心间隔距离大于1.5倍孔道最大直径，小于2倍孔道最大直径，确保孔道设置不引起整体结构强度降低，且能使两条孔道内的树脂胶在孔道发生破坏时能够相遇混合固化。

为避免相邻组孔道内同组份树脂在孔道发生破坏时相遇而导致不能充分固化，更近一步优选的，所述相邻组的孔道沿径向的间隔距离大于1倍孔道最大直径。