本發(fā)明屬于復合材料健康監(jiān)測的，尤其涉及交流阻抗譜陶瓷基復合材料損傷與溫度同步監(jiān)測方法。

背景技術：

1、陶瓷基復合材料(ceramic?matrix?composites，cmc)具有優(yōu)秀的高溫下力學性能，耐腐蝕，抗氧化，因此被越來越廣泛的應用到航空發(fā)動機熱端部件和航天器耐燒蝕部件上。為保證這類關鍵部件的可靠工作，定期的進行檢測維護是被廣泛應用且可靠的手段。例如使用超聲波、x射線計算機掃描等方法在停機或拆解狀態(tài)下對cmc部件的損傷狀況進行檢測，并由專家根據(jù)檢測結果評估維修方案或更換部件。但對于長期工作在高溫、強振動且面臨異物沖擊風險的cmc部件而言，現(xiàn)有的定期檢測技術無法提供設備運行過程中的實時結構健康監(jiān)測，導致了潛在的結構失效風險。當前研究發(fā)現(xiàn)，cmc具備一定導電性能，且其損傷程度與總體電學特性存在對應關系，使得利用cmc結構自身電學特性實現(xiàn)損傷自感知成為一種新的結構健康監(jiān)測技術。已有學者利用該特性，結合電阻抗成像技術分別實現(xiàn)了對cmc結構損傷和溫度場的監(jiān)測(基于電阻抗成像的陶瓷基復合材料高溫部件溫度測量方法，cn110186583b；基于電阻抗成像損傷監(jiān)測的復合材料強度預測方法，cn109101742b)。

2、但是，cmc材料中的材料組分往往具有顯著的溫阻效應特征，材料自身電阻率會隨著溫度改變發(fā)生明顯變化。這就導致了cmc結構電學特征除了與損傷狀況相關，還會與環(huán)境溫度密切關聯(lián)。現(xiàn)有方法只能在單一影響因素條件下對cmc損傷狀況和溫度進行獨立測量，而在損傷和溫度場同時存在時無法進行區(qū)分，這與實際需求存在較大差距。通過仿真進行溫度補償會引入較大誤差，而布置額外溫度傳感器一方面顯著增加了該方法復雜性，另一方面難有滿足在此類惡劣環(huán)境下工作的傳感設備。綜上所述，cmc組分的溫阻效應顯著影響了利用其自身電學特性實現(xiàn)損傷自感知技術的實現(xiàn)和最終應用。

3、因此，亟需開發(fā)一種可以完全依靠cmc結構電學響應信號，即可實現(xiàn)對cmc損傷狀態(tài)與工作溫度的實時解耦與監(jiān)測的方法，解決溫阻效應帶來的影響。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有的不足，提供交流阻抗譜陶瓷基復合材料損傷與溫度同步監(jiān)測方法。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)僅通過交流電阻抗響應數(shù)據(jù)對陶瓷基復合材料零部件所處的溫度和損傷狀態(tài)進行區(qū)分。

2、為實現(xiàn)上述技術目的，本發(fā)明采取的技術方案為：

3、交流阻抗譜陶瓷基復合材料損傷與溫度同步監(jiān)測方法，包括以下步驟：

4、步驟一、根據(jù)實際待測實時溫度與損傷的cmc部件的細觀結構，采用相同工藝制作其基本組成單元結構的電阻抗響應測試試樣；

5、步驟二、對電阻抗響應測試試樣進行不同溫度環(huán)境下的定溫加載試驗，在加載過程中實時測量電阻抗響應測試試樣的電阻抗譜并進行記錄，得到在不同定溫環(huán)境下，隨載荷增加而變化的電阻抗譜數(shù)據(jù)；

6、步驟三、使用高溫環(huán)境箱控制電阻抗響應測試試樣溫度，電阻抗響應測試試樣在無載荷情況下的電阻抗譜響應曲線隨環(huán)境溫度變化數(shù)據(jù)；

7、步驟四、將獲得的不同定溫環(huán)境下隨載荷增加而變化的電阻抗譜數(shù)據(jù)在不同頻率點下分解為實部電阻分量與虛部電抗分量，以初始狀態(tài)為標準進行歸一化，并將無外載下測量獲得的因溫度導致的實部電阻分量變化規(guī)律疊加至在不同定溫環(huán)境下隨載荷增加而變化的電阻抗譜數(shù)據(jù)上，形成以載荷與溫度條件為變量的電阻抗譜數(shù)據(jù)集；

8、步驟五、根據(jù)實際待測實時溫度與損傷的cmc部件的結構形式，制備電極用于交流電阻抗譜測試；

9、步驟六、在室溫，無載荷條件下測量未經(jīng)過任何使用的全新cmc部件的電阻抗譜數(shù)據(jù)作為基準數(shù)據(jù)集，阻抗測試使用的設備參數(shù)與基準數(shù)據(jù)集測試過程中一致；

10、步驟七、將步驟四獲得的以載荷與溫度條件為變量的電阻抗譜數(shù)據(jù)集與步驟六獲得的基準數(shù)據(jù)集相乘，得到與實際待測實時溫度與損傷的cmc部件匹配的阻抗數(shù)據(jù)庫；

11、步驟八、在實際待測實時溫度與損傷的cmc部件裝配至工作位置后，再次測量實際待測實時溫度與損傷的cmc部件的電阻抗譜數(shù)據(jù)，與步驟六數(shù)據(jù)對比驗證裝配后電極可靠性與結構完整性，兩者應當沒有明顯差異；

12、步驟九、在實際待測實時溫度與損傷的cmc部件工作過程中持續(xù)利用阻抗分析儀使用相同測試參數(shù)測量電阻抗譜響應，或選取基準數(shù)據(jù)集中的某一代表性頻率對實際待測實時溫度與損傷的cmc部件電阻抗響應進行測量；

13、步驟十、將測量到的電阻抗響應數(shù)據(jù)按照與s4中相同的方法進行分解，獲得電阻與電抗分量數(shù)值；

14、步驟十一、根據(jù)步驟十測量到的電抗分量數(shù)值大小，在步驟七的阻抗數(shù)據(jù)庫中查找相對應的載荷/損傷狀態(tài)，單一電抗數(shù)值可能對應多個溫度條件下的不同載荷/損傷狀態(tài)；

15、步驟十二、根據(jù)步驟十一獲取的多個溫度條件下的不同載荷/損傷狀態(tài)點，進一步找出這些載荷-溫度狀態(tài)點所可能對應的實部電阻分量大小，根據(jù)步驟十獲取的電阻分量數(shù)值進行判斷，得出唯一符合的狀態(tài)點，最終得知實際待測實時溫度與損傷的cmc部件當前的溫度、載荷狀態(tài)與對應的損傷狀況。

16、為優(yōu)化上述技術方案，采取的具體措施還包括：

17、交流阻抗譜陶瓷基復合材料損傷與溫度同步監(jiān)測方法，采用高溫環(huán)境箱對電阻抗響應測試試樣進行加熱，采用拉伸試驗機對電阻抗響應測試試樣施加載荷，步驟一中，電阻抗響應測試試樣制備方法為：首先根據(jù)高溫環(huán)境箱均溫段長度和夾持長度加工相匹配的cmc樣品，在cmc樣品端部使用導電膠粘接金屬導線作為電極，并在cmc樣品兩端夾持區(qū)域通過耐溫環(huán)氧樹脂膠膠粘陶瓷管提供保護和電絕緣。

18、步驟一中，cmc樣品為與實際待測實時溫度與損傷的cmc部件具有相同編織模式的cmc板件，或具有相同工藝和組分的陶瓷件。

19、步驟二中，所述的拉伸試驗機通過兩個拉伸試驗機夾頭分別對電阻抗響應測試試樣兩端進行夾持，然后施加載荷，阻抗分析儀測試電阻抗響應測試試樣的電阻抗譜時，試驗機不移動，避免加載過程對測量結果產(chǎn)生影響。

20、步驟三中，電阻抗響應測試試樣在無載荷變溫阻抗測試中保證不發(fā)生結構上的損傷，從而使獲得的電阻抗參數(shù)只和溫度變化相關。

21、步驟四中，電阻抗譜數(shù)據(jù)分解為實部電阻分量與虛部電抗分量按下式進行：

22、

23、其中z'為實部電阻，z”為虛部電抗，θ為阻抗分析儀測試獲得的相位角，|z|為阻抗分析儀測試的阻抗幅值。

24、步驟四中，將無外載下測量獲得的因溫度導致的實部電阻分量變化規(guī)律疊加至在不同定溫環(huán)境下隨載荷增加而變化的電阻抗譜數(shù)據(jù)上的具體方法是以步驟三中測量得到的無外載荷情況下溫度-阻抗響應數(shù)據(jù)，根據(jù)式(1)分解之后獲得的實部分量隨溫度變化比例為參考，對步驟二在相同溫度下的載荷/損失-阻抗數(shù)據(jù)的實部響應進行等比例修正。

25、步驟九中，所述的代表性頻率是在測試過程中cmc部件隨損傷變化最顯著的頻率。

26、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果如下：

27、1、本發(fā)明提供的交流阻抗譜陶瓷基復合材料損傷與溫度同步監(jiān)測方法，可以實現(xiàn)陶瓷基復合材料損傷與溫度狀態(tài)解耦，實現(xiàn)了僅通過單一的cmc電阻抗響應數(shù)據(jù)，對結構溫度狀態(tài)和損傷狀態(tài)的同步識別，避免了在利用電信號監(jiān)測結構健康狀態(tài)時需要安裝額外傳感器的問題，顯著提高了利用交流阻抗響應在惡劣環(huán)境下對cmc結構進行健康監(jiān)測的可靠性。

28、2、本發(fā)明的步驟一至四提供的是一種新型的陶瓷基復合材料損傷-電阻抗響應測量與變溫電阻抗響應測試方法，實現(xiàn)了對高溫環(huán)境下拉伸過程中陶瓷基復合材料試樣進行阻抗響應測試和數(shù)據(jù)處理，為其他研究復合材料電阻抗響應的試驗測試提供參考，且以陶瓷基復合材料組成單元結構為測試對象，減少測試數(shù)量，測試方法明確、簡單、成本低。