高频巨磁阻抗微米丝及其在复合材料结构健康监测中的应用基础研究

Functional-fibres-embedding technology is an important method to monitor the fibre-reinforced composites or realize self-sensing composites. The embedded fibre should respond sensitively to the monitoring object(s) and match geometrically the reinforcing fibres. The current project aims to utilize the microwire with large microwave stress-impedance to meet both requirements and approach structural health monitoring via a non-destructive and wireless microwave operation. The current study starts off from the control and modulation of the microwire structure and properties, followed by a mechanism study of high-frequency giant magnetoimpedance (GMI) under external stresses. Further to this, a design theory for microwire composites will be developed. Based on such theory, a set of microwire composites will be designed, fabricated and investigated with a focus on the relations between the local property/mesostructure and the mechanical and microwave behaviours of the composite. Thus, further optimizations of composites architecture for higher stress sensitivity can be advanced so as to, eventually, realize a novel monitoring approach of combining express global diagnosis and precise local damage location. All the above proposed work will provide an significant theoretical framework for the basic study of high-frequency properties of microwire(s) and technological support for the development of embedding technology for sensing applications in composite structures.

功能纤维的开发与嵌入技术是监测纤维增强树脂基复合材料和实现智能复合材料的重要手段；嵌入的功能纤维应该具有对监测对象的高灵敏度，并且和增强纤维直径匹配。本项目旨在通过具有应力敏感巨磁阻抗性能的磁性微米丝来满足这两个要求，以无损、无线的方式实现其对嵌入对象复合材料的结构健康监测。从微丝的结构性能调控出发，阐明高频磁阻抗在应力场下的变化机制和理论模型，进而发展出微丝嵌入复合材料的设计理论；在此基础上设计制备微米丝复合材料，揭示其局部性能、介观结构和整体的力学及微波行为之间的关系，从而优化复合材料对应力的高分辨率响应的结构设计；初步实现整体快速诊断和局部缺陷定位的组合监测方式。为微米丝高频电磁特性的基础研究及其在复合材料结构中的嵌入传感应用提供了重要的理论和技术支撑。

随着纤维增强复合材料在航空航天领域得到广泛应用，具有高应力敏感且和增强纤维直径匹配的结构健康监测功能嵌入纤维亟待开发。本课题依靠磁性微米丝的小尺寸、易优化及应力敏感等优点，分别基于巨磁阻抗效应和电磁参数进行了以“有线”和“无线”方式嵌入复合材料的磁性微米丝在结构健康监测的基础应用研究：本课题研究了去玻璃层和电流退火（拉应力和扭转应力）等方法对微丝微结构、力学性能、磁学性能及磁畴结构的影响。发现较低的扭转应力电流退火可优化磁畴结构，提高微丝巨磁阻抗性能，降低各向异性场；搭建了高频巨磁阻抗效应（GMI）及应力阻抗效应（GSI)测试平台，并通过相位补偿消除了由电磁波沿样品轴向传导时引入的相位差。高频GMI机理主要由铁磁共振和趋肤效应两种相互作用，当测试频率为铁磁共振频率时，样品阻抗对应变变化最敏感；研究了长径比、调制方法对微丝复合材料电磁性能的影响，并利用KH550硅烷偶联剂对微丝进行表面改性，当含量为5wt.%时，微丝玻璃层/环氧树脂界面结合越好，应力传递效率越高；将微丝与玻纤预浸料进行复合，当玻璃纤维与微米丝平行排布时，阻抗变化率下降程度较小，而垂直排布时阻抗变化率下降程度较大；利用在微丝阵列上预置缺陷及在微丝阵列环氧树脂复合材料中靠近微丝不同距离的位置打孔预置缺陷。对于微丝阵列，通过评估吸收曲线的幅值，可以预测裂纹的数量；通过比较吸收峰的特征频率可以确定有效的微丝长度；而利用反射系数可确定裂纹分布类型。对于微丝阵列复合材料，当微丝经过5wt.%KH550改性后，微丝阵列复合材料可通过对比打孔前后的透射系数变化率，监测到基体中微丝附近 1mm内的直径为1mm的孔洞缺陷。这些结构都充分展示了磁性微米丝是一种有效的嵌入式传感线为可以对纤维增强复合材料结构进行无接触且分辨率较高的监测。