[00122630]基于多传感器的复合材料结构智能制造及损伤监控关键技术

本项目属于航空航天复合材料、复合材料实验固体力学、材料检测及分析技术等多学科的交叉研究领域。 复合材料以其轻质高强、防腐、可设计强等特点,被广泛应用于航空航天飞行器等领域。但复合材料结构易产生裂纹、纤维脱粘或断裂等多种内部损伤,目前X射线、超声C扫描等传统无损检测方法仪器复杂、费用昂贵,无法满足结构实时监测。复合材料制造技术都是建立在试验和修正方法基础上,不知材料制造过程内部物理化学信息,一旦构件形状、加工环境、原材料稍有变化,都会对复合材料制造质量产生影响,所以对复合材料固化过程相态变化信息进行监测,优化其制造工艺制度对获得高性能/精度复合材料制品具有重要意义。 在工信部民机专项、国防基础科研项目、航空科学基金、辽宁省高等学校优秀人才、沈阳市科学计划、沈飞公司合作项目支持下： （1）提出基于布拉格光栅传感及光栅光强反射率的复合材料固化监测理论,对真空袋预浸料成型、RTM成型、热压罐等不同成型工艺进行全程动态监测,获得复材固化过程树脂软化点、残余应变、凝胶点、玻璃化转变温度等关键物性信息,对升温速率、固化压力/加压时机、保温时间、模具材料/形状等固化工艺参数进行有效调控,提高复合材料制造质量,减少固化变形;利用去光栅反射光谱异化法和多级热力循环法对复合材料制造过程中出现的层板弯曲、基体开裂及脱层损伤形式进行监测及去除。利用光纤光栅及DMTA法对新型复合材料预浸料真空袋成型工艺的加压温度和加压时间进行优化,同时获得新型预浸料的固化动力学模型,有效解决复合材料成型过程中的变形及界面分层问题。上述研究成果已被沈阳飞机工业（集团）公司用于914/5222A等新型预浸料工艺参数优化,并在多个型号飞机复合材料结构件制备工艺优化方面得到应用。已成功应用于世界上首款电动双座轻型运动飞机（锐翔RX1E）的全复合材料机身制造,实现了对固化工艺制度的调控及复合材料变形控制,该型号飞机于2015年2月获中国民航总局颁发的型号设计批准书,目前获28架飞机的订单,合同金额3000万元,目前已交付4架。 （2）利用光栅内传感非均匀应变场监测理论,首次开展基于光栅反射全光谱的复合材料结构多损伤的实时监测研究,并对复合材料多损伤结构进行评估与验证,该成果在我国大型复合材料板壳结构无损监测与评价中具有广阔应用前景,可为我国飞行器复合材料结构无损监测提供一种新的解决方案。该技术目前已经应用于苏州富丽达汽车配件有限公司的复合材料汽车配件、船舶工业制造领域。 （3）利用机械融合法解决了碳纳米管水溶液的单分散技术难题,利用自主研发的喷射吸滤法实现了大面积碳纳米纸的连续制备,通过构建碳纳米纸传感器成型工艺参数-微观结构-传感性能关联机制,实现了碳纳米纸传感器的温度/应变高灵敏度控制。国际上最早提出利用碳纳米纸传感器监测复合材料固化过程的温度场、应变场和树脂相态转变,构建上述变化与传感器电阻变化关联机制,从而获得复合材料固化过程的关键物性参数信息,实现复合材料的工艺控制和精确制造。同时利用与复合材料一体成型的碳纳米纸传感器监测复合材料结构在多力学模式下的损伤演化,实现剩余寿命预测。上述研究成果目前已在沈阳飞机设计研究所、航空六院41所复合材料全寿命健康监测领域得到应用。 本成果历时8年,自主研发的多传感器（光纤光栅或碳纳米纸传感器）监测系统可同时用于复合材料制造和服役损伤监测,成本远低于传统无损检测设备（固化监测系统成本10万元）,应变监测误差小于1με,温度监测误差小于0.1℃;成型工艺经优化后,复合材料固化残余应变可下降20%以上,热膨胀系数下降20% 以上,变形率减低20% 以上,玻璃化转变温度升高15%,复合材料内部缺陷发生率下降30% 以上;复合材料损伤定位误差小于1mm,响应时间小于1s,损伤定位准确率大于90%。目前光纤光栅解调仪和光纤光栅温度传感器产品获得东北国家计量测试中心的校准证书,国家树脂基复合材料工程中心测试结果证明工艺优化后复合材料制品的性能指标得到了大幅度提高。项目研究水平整体处于国内领先,部分研究成果国际领先。 发表SCI/EI期刊论文12篇,申请国家发明专利12项（授权国家发明专利8项）,获标准2个,分别在沈阳飞机工业（集团）公司、辽宁省通用航空研究院、苏州富丽达汽车配件有限公司完成转化,创造产值4600万元、新增利润1020万。