C/SiC復(fù)合材料腐蝕狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測裝置和監(jiān)測方法，特別是涉及一種碳纖維復(fù)合材料的腐蝕損傷監(jiān)測裝置和監(jiān)測方法，應(yīng)用于服役期內(nèi)的材料物理化學(xué)性能檢測、壽命評估和材料維護(hù)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]碳纖維復(fù)合材料是以碳纖維作為增強(qiáng)材料，以環(huán)氧樹脂、金屬、陶瓷等作為基體材料，使用各種先進(jìn)加工成型方法制備而成的性能優(yōu)異的復(fù)合材料，解決了單一材料無法解決的技術(shù)難關(guān)，是目前最受重視的高性能材料之一，具有密度低、比強(qiáng)度高、比模量高、可設(shè)計(jì)性好、易于成型等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、風(fēng)力發(fā)電、建筑、化工等眾多領(lǐng)域。然而，該類材料在制造和長期的服役過程中，可能產(chǎn)生內(nèi)部斷點(diǎn)、裂紋、脫層等形式的結(jié)構(gòu)損傷，若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)和采取相應(yīng)維護(hù)措施，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的迅速破壞，造成重大事故隱患。腐蝕損傷是復(fù)合材料主要損傷形式之一，對腐蝕損傷的監(jiān)測研究具有積極意義。
[0003]目前無損探測碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)斷裂狀態(tài)的方法包括射線探測法、超聲波探測法、聲發(fā)射探測法等。射線探測法的優(yōu)點(diǎn)是圖像比較直觀、對缺陷尺寸和性質(zhì)的判斷比較容易，但其對微小裂紋的探測靈敏度低，探測費(fèi)用較高。超聲波探測法具有可探測厚度大、檢測靈敏度高、成本低等特點(diǎn)，但其探測時(shí)有一定的近場盲區(qū)，且探測試件易被污染。與上述探測方法相比，聲發(fā)射探測具有靈敏度高，檢查覆蓋面積大，漏檢率低及可在被測試件運(yùn)行中進(jìn)行探測的優(yōu)點(diǎn)，因此，該方法被廣泛應(yīng)用于碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測，是復(fù)合材料健康監(jiān)測領(lǐng)域現(xiàn)階段乃至將來一段時(shí)期內(nèi)的主流技術(shù)。
[0004]由于光纖傳感系統(tǒng)具有質(zhì)量輕、體積小、耐腐蝕、易于遠(yuǎn)程遙測和實(shí)現(xiàn)分布式測量等優(yōu)點(diǎn)，使得基于光纖傳感的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)成為當(dāng)前國內(nèi)外航空領(lǐng)域研究者們重點(diǎn)關(guān)注的新熱點(diǎn)。20世紀(jì)70年代，美國弗吉尼亞理工學(xué)院州立大學(xué)的Claus等首次把光纖埋入了增強(qiáng)復(fù)合材料碳纖維，使得材料具有傳感和探測斷裂損傷的功能。隨后，格魯門公司采用光纖光柵傳感器監(jiān)控F-18機(jī)翼的損傷和應(yīng)變，馬丁公司把光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在X-33航天飛機(jī)的應(yīng)力及溫度監(jiān)控上，DALTA II火箭的復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)箱上應(yīng)用了基于光纖光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)的健康監(jiān)測系統(tǒng)。但上述應(yīng)用均未實(shí)現(xiàn)對碳纖維復(fù)合材料腐蝕狀態(tài)的監(jiān)測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種C/SiC復(fù)合材料腐蝕狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法，基于物質(zhì)消耗原理，實(shí)現(xiàn)了對C/SiC復(fù)合材料腐蝕狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。
[0006]為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，采用下述技術(shù)方案:
一種C/SiC復(fù)合材料腐蝕狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)，由干路信息傳輸系統(tǒng)和一系列支路探測器組成樹杈形信息監(jiān)測系統(tǒng)，各支路探測器皆與干路信息傳輸系統(tǒng)進(jìn)行通信連接，干路信息傳輸系統(tǒng)采用主路光纖，支路探測器包括碳物質(zhì)消耗傳感單元和碳化硅物質(zhì)消耗傳感器單元，碳物質(zhì)消耗傳感單元依次由第一光纖連接器、第一傳感光纖和碳物質(zhì)消耗傳感探頭組成，碳物質(zhì)消耗傳感探頭主要由第一纖芯、第一傳感柵區(qū)和第一表面敏感膜組成，第一傳感柵區(qū)設(shè)置于第一纖芯內(nèi)部，第一表面敏感膜設(shè)置于第一纖芯的外部，第一表面敏感膜對碳物質(zhì)腐蝕消耗變化敏感，將碳物質(zhì)消耗傳感探頭設(shè)置于待測C/SiC復(fù)合材料內(nèi)部的測試位置上，使第一表面敏感膜與C/SiC復(fù)合材料處于相同服役環(huán)境下，當(dāng)?shù)谝槐砻婷舾心づc所在測試位置附近的材料同步發(fā)生腐蝕時(shí)，第一傳感柵區(qū)采集第一表面敏感膜的腐蝕狀態(tài)的信號(hào)，并沿著與進(jìn)入第一纖芯的入射光信號(hào)相反的方向?qū)⒉杉母g狀態(tài)信號(hào)反射傳輸，碳化硅物質(zhì)消耗傳感器單元依次由第二光纖連接器、第二傳感光纖和碳化硅物質(zhì)消耗傳感探頭組成，碳化硅物質(zhì)消耗傳感探頭主要由第二纖芯、第二傳感柵區(qū)和第二表面敏感膜組成，第二傳感柵區(qū)設(shè)置于第二纖芯內(nèi)部，第二表面敏感膜設(shè)置于第二纖芯的外部，第二表面敏感膜對碳化硅物質(zhì)腐蝕消耗變化敏感，將碳化硅物質(zhì)消耗傳感探頭設(shè)置于待測C/SiC復(fù)合材料內(nèi)部的測試位置上，也使第二表面敏感膜與C/SiC復(fù)合材料處于相同服役環(huán)境下，當(dāng)?shù)诙砻婷舾心づc所在測試位置附近的材料同步發(fā)生腐蝕時(shí)，第二傳感柵區(qū)采集第二表面敏感膜的腐蝕狀態(tài)的信號(hào)，并沿著與進(jìn)入第二纖芯的入射光信號(hào)相反的方向?qū)⒉杉母g狀態(tài)信號(hào)反射傳輸，主路光纖的一端依次信號(hào)連接光纖光柵解調(diào)儀，光纖光柵解調(diào)儀和計(jì)算機(jī)信號(hào)連接，主路光纖的另一端連接光纖耦合器的合路信號(hào)端，光纖耦合器的分路信號(hào)端分別與碳物質(zhì)消耗傳感單元的信號(hào)端和碳化硅物質(zhì)消耗傳感器單元的信號(hào)端連接，碳物質(zhì)消耗傳感單元的信號(hào)端與第一光纖連接器信號(hào)連接，碳化硅物質(zhì)消耗傳感器單元的信號(hào)端與第二光纖連接器信號(hào)連接，在光纖光柵解調(diào)儀中內(nèi)置光源，將入射光沿著主路光纖進(jìn)行傳輸，入射光分別進(jìn)入碳物質(zhì)消耗傳感探頭和碳化硅物質(zhì)消耗傳感探頭后，分別與第一表面敏感膜和第二表面敏感膜的腐蝕狀態(tài)相互作用產(chǎn)生耦合效應(yīng)，并至少使入射光的波長發(fā)生變化，再分別通過第一傳感柵區(qū)和第二傳感柵區(qū)將發(fā)生變化的入射光的狀態(tài)信號(hào)作為檢測信號(hào)，向主路光纖反射回去，最后被計(jì)算機(jī)回收后，以碳和碳化硅物質(zhì)消耗狀態(tài)作為C/SiC復(fù)合材料的腐蝕狀態(tài)監(jiān)測的指標(biāo)參數(shù)，通過計(jì)算分析，得到對應(yīng)測試位置的待測C/SiC復(fù)合材料的腐蝕損傷信息。
[0007]作為一種本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，第一傳感柵區(qū)米用光纖布拉格光柵，第一表面敏感膜固定于對應(yīng)施加一定預(yù)應(yīng)力的第一傳感柵區(qū)位置處的碳物質(zhì)消耗傳感探頭的支路光纖的表面上，當(dāng)?shù)谝槐砻婷舾心ひ蚋g發(fā)生質(zhì)量消耗時(shí)，引起第一傳感柵區(qū)所受預(yù)應(yīng)力減小，進(jìn)而使入射到第一傳感柵區(qū)上的入射光經(jīng)過反射后發(fā)生變化。
[0008]作為另一種本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，第二傳感柵區(qū)米用光纖布拉格光柵，第二表面敏感膜固定于對應(yīng)第二傳感柵區(qū)位置處的碳化硅物質(zhì)消耗傳感探頭的支路光纖的表面上，當(dāng)?shù)诙砻婷舾心ひ蚋g發(fā)生物質(zhì)轉(zhuǎn)變時(shí)，引起第二傳感柵區(qū)周圍的光纖基體內(nèi)的軸向應(yīng)變發(fā)生變化，進(jìn)而使入射到第二傳感柵區(qū)上的入射光經(jīng)過反射后發(fā)生變化。
[0009]作為還有一種本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，同時(shí)具有上述的技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)，第一傳感柵區(qū)采用光纖布拉格光柵，第一表面敏感膜固定于對應(yīng)施加一定預(yù)應(yīng)力的第一傳感柵區(qū)位置處的碳物質(zhì)消耗傳感探頭的支路光纖的表面上，當(dāng)?shù)谝槐砻婷舾心ひ蚋g發(fā)生質(zhì)量消耗時(shí)，引起第一傳感柵區(qū)所受預(yù)應(yīng)力減小，進(jìn)而使入射到第一傳感柵區(qū)上的入射光經(jīng)過反射后發(fā)生變化；第二傳感柵區(qū)采用光纖布拉格光柵，第二表面敏感膜固定于對應(yīng)第二傳感柵區(qū)位置處的碳化硅物質(zhì)消耗傳感探頭的支路光纖的表面上，當(dāng)?shù)诙砻婷舾心ひ蚋g發(fā)生物質(zhì)轉(zhuǎn)變時(shí)，引起第二傳感柵區(qū)周圍的光纖基體內(nèi)的軸向應(yīng)變發(fā)生變化，進(jìn)而使入射到第二傳感柵區(qū)上的入射光經(jīng)過反射后發(fā)生變化。
[0010]作為本發(fā)明上述方案進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，碳物質(zhì)消耗傳感單元包括一系列串聯(lián)的碳物質(zhì)消耗傳感探頭，或者碳化硅物質(zhì)消耗傳感器單元包括一系列串聯(lián)的碳化硅物質(zhì)消耗傳感探頭。
[0011]作為本發(fā)明上述方案進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，第一表面敏感膜和第二表面敏感膜分別緊密結(jié)合在第一纖芯和第二纖芯的外表面上。
[0012]作為本發(fā)明上述方案進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，碳物質(zhì)消耗傳感探頭的第一傳感柵區(qū)和碳化硅物質(zhì)消耗傳感探頭的第二傳感柵區(qū)分別通過對應(yīng)的柵區(qū)固定架來固定。
[0013]—種監(jiān)測C/SiC復(fù)合材料腐蝕狀態(tài)的方法，包括如下步驟:
a.碳物質(zhì)消耗的監(jiān)測:結(jié)合光纖光柵表面預(yù)應(yīng)力鍍膜傳感方法，將碳物質(zhì)消耗敏感材料鍍于施加一定預(yù)應(yīng)力的具有光纖布拉格光柵柵區(qū)的光纖外表面，形成預(yù)應(yīng)力碳物質(zhì)消耗敏感鍍膜，構(gòu)建碳物質(zhì)質(zhì)量消耗監(jiān)測傳感探頭，當(dāng)預(yù)應(yīng)力碳物質(zhì)消耗敏感鍍膜因腐蝕發(fā)生質(zhì)量消耗時(shí)，引起光纖布拉格光柵柵區(qū)所受預(yù)應(yīng)力減小，進(jìn)而使從光源入射到預(yù)應(yīng)力碳物質(zhì)消耗傳感探頭上的入射光經(jīng)過光纖布拉格光柵柵區(qū)的光柵反射后，向數(shù)據(jù)分析中心輸送，實(shí)現(xiàn)以碳物質(zhì)消耗作為第一監(jiān)測指標(biāo)，對C/SiC復(fù)合材料內(nèi)部的碳物質(zhì)的變化情況進(jìn)行監(jiān)測；
b.碳化硅物質(zhì)消