Способ изготовления тензорезистивного датчика, выполненного в виде тканого полотна из проводящих углеродных волокон и диэлектрических волокон Российский патент 2023 года по МПК G01L1/22 B82Y30/00 

Изобретение относится к области сенсорной техники и может быть применено при размещении тензорезистивного датчика внутри ответственных изделий аэрокосмического назначения, выполненных из полимерных композиционных материалов.

Известен сплошной тонкопленочный тензодатчик [патент US4104605, THIN FILMSTRAIN GAUGE AND METHOD OF FABRICATION (Тонкопленочный тензодатчик и способ его изготовления), опубликован 01.08.1978]. Тонкопленочный тензодатчик, изготовлен путем нанесения первой пленки из высокотемпературного изоляционного материала на поверхность испытываемого изделия, на которую нанесены резистивная пленка, проводящий вывод на каждом конце резистивного рисунка и покрытие резистивной пленки. Части проводящих выводов покрывают второй пленкой из высокотемпературного изоляционного материала для защиты тензодатчика от коррозии и эрозии в рабочей среде.

Известна гибкая матрица датчиков силы или давления, которая содержит: подложку, включающую в себя полупроводниковые датчики деформации, в которых деформируется множество элементов, сформированных в определенном шаблоне матрицы, под действием силы или давления, два слоя полимерной пленки, контактирующие друг с другом и содержащие полупроводниковый тензодатчик, и два слоя сигнальных линий, сформированных на верхней и нижней поверхностях изолирующего слоя, использующего любой из двух слоев полимерной пленки в качестве изолирующего слоя и соединенного с элементами массива для формирования электродов, для извлечения сигналов деформации, выводимых, наружу; и два слоя эластомера, расположенных с обеих сторон подложки [патент US8695441, FLEXBLE FORCE OR PRESSURE SENSOR ARRAY USING SEMCONDUCTOR STRAN GAUGE, FABRICATION (Гибкий датчик силы или давления, использующий полупроводники, способ его изготовления и способ измерения с помощью гибкого датчика), опубликован 15.04.2014].

Известен тензорезистивный элемент [ГОСТ 21616-91 Тензорезисторы], который содержит упругий элемент - тензорезистор, размещенный в корпусе и кабельный разъем. Принцип его действия основан на измерении изменения сопротивления тензорезисторов, установленных на изделии. Изделие под действием механических нагрузок деформируется и деформирует размещенные в нем тензорезисторы.

Тензорезистивный элемент может быть выполнен либо в качестве отдельного компонента, монтируемого на поверхности изделия, либо в специальных мезах, вырезанных в изделии. Ввиду этого механические нагрузки, передаваемые от изделия тензочувствительному элементу, рассеиваются на монтажных компонентах этого элемента, что является недостатком вышеприведенных аналогов.

Тензорезистивный элемент может быть изготовлен на поверхности изделия с помощью пленарных технологий, таких как электронная фотолитография, шелкография [Физическая энциклопедия, т.5 - М.: Большая российская энциклопедия, стр. 70]. В этом случае в специальных монтажных компонентах нет необходимости, однако тензорезистивный элемент может быть расположен только на поверхности изделия и, следовательно, он будет откликаться только на процессы, происходящие на поверхности изделия, в результате чего не будет обеспечена регистрация механических нагрузок внутри изделия, тем самым снижено качество телеметрии изделия, что в свою очередь не позволит отслеживать процессы, происходящие внутри композита и прогнозировать отказы в работе изделия.

Известны материалы, изменяющие свое электросопротивление под действием внешних механических нагрузок. К ним относятся полимерные нанокомпозиты с проводящими добавками [Deng Н, Zhang R, Reynolds СТ, Bilotti Е, Peijs Т., A novel concept for highly oriented carbon nanotubes composite tapes or fibres with high strength and electrical conductivity. Macromol Mater Eng 2009; 294:749-55]. В статье описан многофункциональный полимерный нанокомпозитный материал, сочетающий высокую жесткость и прочность с хорошими электрическими свойствами, который конструктивно выполнен в виде двухкомпонентной ленты (или волокна), состоящей из высокоориентированной полимерной сердцевины и оболочки из проводящего полимерного композита на основе полимера с более низкой температурой плавления, чем сердцевина. Лента наклеивается на поверхность изделия

Известен композиционный материал, проявляющий пьезоэлектрические и/или пьезорезистивные свойства при деформации и используемый в качестве тензометрического датчика (патент RU2664290, опубликован 16.08.2018). Датчик деформации выполнен в виде неслоистой однородной композиционной пены, состоящей из смеси высокоэластичного полимерного материала с множеством пор и множества токопроводящих наполнителей, распределенных в полимерном материале. В качестве токопроводящих наполнителей могут использоваться токопроводящие наночастицы и/или токопроводящие стабилизаторы. Недостатком данного материла является то, датчик деформации не обеспечит регистрации механических нагрузок внутри изделия, а пористая морфология приводит к низкой прочности элемента.

За прототип принят сенсор (датчик), описанный в патенте KR20210048015A, который применяется в медицинских целях - на стельке обуви. Токопроводящее покрытие стельки выполнено из ткани, в которой пряжа состоит из проводящего волокна и скрученной нити из непроводящего волокна. Проводящее волокно включает две части, первая часть выполнена из углеродсодержащего материала (материал на основе углерода выбран из группы, состоящей из углеродных нанотрубок, фуллеренов, графена, графита, углеродных волокон, сажи и комбинаций двух или более из них), вторая часть содержит термопластичную смолу.

Конструкция датчика (сенсора) содержит последовательно уложенные электроды и токопроводящее покрытие, причем токопроводящее покрытие выполнено из ткани, в которую вплетен скрученный материал из нитей, выполненных из проводящих волокон и нитей из непроводящих волокон. К недостаткам данного датчика можно отнести то, что он не может быть использован внутри жесткого изделия из композиционного материала ввиду присутствия термопластичной смолы. Кроме того этот датчик давления реагирует на внешнюю нагрузку, и не обеспечит регистрации механических нагрузок внутри изделия.

Задачей изобретения является обеспечение регистрации механических нагрузок внутри изделия.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе изготовления тензорезистивного датчика, выполненного в виде тканого полотна из проводящих углеродных волокон и диэлектрических волокон, обеспечивающих изоляцию последних, согласно изобретению сборку и установку тензорезистивного датчика производят во время изготовления изделия, размещая друг на друга на части собранного изделия предварительно сотканные слои из проводящего полотна, изолирующего полотна и вновь проводящего полотна с обеспечением взаимоперпендикулярного направления углеродных волокон в проводящих полотнах, затем производят окончательную сборку изделия и последующие пропитку изделия совместно с тензорезисгавным датчиком керамическим шликером или смолой, смешанной с сшивающим агентом, и отжиг.

Технический результат, характеризующийся возможностью регистрации механических нагрузок внутри изделия, обеспечивается тем, что углеродные волокна, вплетенные в тканую основу, выполненную из изолирующих волокон под действием механических нагрузок будут изменяться по длине, что приведет к изменению их сопротивления, которое измеряется надежным методом мостовой схемы.

Изобретение поясняется чертежом.

На фиг. 1 показан тензорезистивный датчик, на фиг. 2 - тензорезистивный элемент с повышенной информативностью.

Тензорезистивный датчик состоит из углеродных волокон 1 (черные волокна) и диэлектрических волокон 2. Тензорезистивный датчик выполнен в виде тканого полотна, в котором углеродные волокна не имеют взаимного пересечения и изолированы диэлектрическими волокнами.

Тензорезистивный датчик изготавливают следующим образом. В качестве пьезорезистивных волокон используют углеродные волокна, полученные, например, по способу, описанному в патенте US2957756, «Нитевидный графит и способ его получения». В качестве диэлектрических волокон могут быть применены: стекловолокно, полимерные (гюлиарамидное, полиамидное) волокна или натуральное волокно, либо любая их комбинация. Используя ткацкий станок или плетельную машину, выполняют плетение по схеме, показанной на фиг 1, обеспечивающее изоляцию проводящих углеродных волокон полимерными или натуральными волокнами или стекловолокнами. При этом подойдет любая компоновка углеродных волокон, при условии, что они не пересекаются между собой. Возможно вплетение углеродных волокон не по всей поверхности тканой основы, а в отдельных ее частях.

Более качественный и надежный отклик на внешнее механическое воздействие обеспечивает модификация поверхности углеродного волокна углеродными нанотрубками. Для этого углеродные волокна предварительно пропитывают прекурсором на основе аммиачного комплекса сульфата никеля и обрабатываются в парах углеродсодержащих соединений по известному методу [Bobrinetskii Nevolin V.K., Simunin, М.М. Production of carbon nanotubes by catalytic gas-phase pyrolysis of ethanol // Theoretical Foundations of Chemical Engineering Volume 41, Issue 5, October 2007, Pages 639-643].

Для обеспечения большей информативности контроля предпочтительно собирать тензорезистивный датчик из, как минимум, двух слоев тканого полотна с углеродным волокном, разделенных слоем тканого полотна, выполненного из одного диэлектрического волокна (без углеродного волокна) (см. фиг. 2) одновременно с изготовлением изделия из ПКМ. Для этого на собранную часть изделия стопкой укладывают сначала полотно 3 по типу, изображенному на фиг. 1, потом полотно 4 без углеродного волокна, затем полотно 5 с углеродным волокном, повернутое относительно полотна 3 на 90 градусов. Таким образом полотна тканых тензорезистивных датчиков уложены с обеспечением взаимоперпендикулярного направления углеродных нитей в них. Это обеспечивает надежную изоляцию углеродного волокна и топологическую адресацию участков тензорезистивного датчика. В таком виде тензорезистивный датчик быть установлен на изделии. Для установления тензорезистивного датчика внутри изделия, целесообразно собирать его непосредственно во время изготовления изделия. Собранный тензорезистивный элемент соединяют с общей тканевой основой изделия, затем выкладывают оставшуюся часть изделия, а далее целиком пропитывают керамическим шликером или смолой - эпоксидной или полиэфирной с сшивающим агентом. После чего изделие отжигается для отверждения пропитки. После чего изделие отжигают для отверждения пропитки. Затем к концам углеродных волокон, по шаблону, определяемому особенностями изделия, подключается измерительная схема, работающая для каждого углеродного волокна по принципу омметра.

Работа тензорезистивного датчика на основе углеродных волокон. При приложении механической нагрузки углеродные волокна, которые находятся вдоль проекции сил нагружения, будут менять свои размеры. В результате, при малых нагрузках, сопротивление волокон будет изменяться по закону:

где R₀ - сопротивление ненагруженного волокна, S - поперечное сечение волокна, ρ - его удельное электросопротивление и - его абсолютное удлинение под действием механических нагрузок на композит.

Измерение электросопротивления проводят стандартными методами, подключая измерительную схему (омметр) к концам углеродных волокон. Величина сопротивления, зависящая от марки углеродных волокон и их длины, соответствует 150 Ом на сантиметр длины углеродного волокна, а измеряемый диапазон от 0,1 до 1 кОм.

Применение заявляемого способа изготовления тензорезистивного датчика, выполненного в виде тканого полотна из проводящих углеродных волокон и диэлектрических волокон и размещенного внутри изделия, позволяет определить процессы, происходящие внутри композита, что повышает качество телеметрии изделия и обеспечивает возможность прогнозирования отказов в работе изделия.

Изобретение относится к области сенсорной техники и может быть применено для контроля процессов, происходящих в ответственных изделиях аэрокосмической отрасли. Предложен способ изготовления тензорезистивного датчика, выполненного в виде тканого полотна из проводящих углеродных волокон и диэлектрических волокон, обеспечивающих изоляцию последних. Сборку и установку тензорезистивного датчика производят во время изготовления изделия, размещая друг на друга части изделия, представленные предварительно сотканными слоями из проводящего полотна, изолирующего полотна и вновь проводящего полотна, с обеспечением взаимоперпендикулярного направления углеродных волокон в проводящих полотнах, затем производят окончательную сборку изделия и последующую совместную пропитку изделия и тензорезистивного датчика керамическим шликером или смолой, смешанной с сшивающим агентом, и отжиг. Технический результат заключается в возможности регистрации механических нагрузок внутри изделия, что позволит отслеживать процессы, происходящие в нем, и прогнозировать отказы в работе изделия. 2 ил.

Способ изготовления тензорезистивного датчика, выполненного в виде тканого полотна из проводящих углеродных волокон и диэлектрических волокон, обеспечивающих изоляцию последних, отличающийся тем, что сборку и установку тензорезистивного датчика производят во время изготовления изделия, размещая друг на друга, на части собранного изделия, предварительно сотканные слои из проводящего полотна, изолирующего полотна и вновь проводящего полотна с обеспечением взаимоперпендикулярного направления углеродных волокон в проводящих полотнах, а затем производят окончательную сборку изделия и последующие пропитку изделия совместно с тензорезистивным датчиком керамическим шликером или смолой, смешанной с сшивающим агентом, и отжиг.