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1、48工程塑料应用2007年,第35卷,第2期*碳纤维树脂基复合材料的传感特性研究宋显辉刘冬吕泳李卓球(武汉理工大学理学院,武汉430070)摘要通过伏安特性实验,表明碳纤维树脂基复合材料的伏安特性曲线基本过零点,且线性较好,其电流-电压关系符合欧姆定律。通过对碳纤维树脂基复合材料进行拉伸、循环加载等试验,得到其电阻随变形而变化的规律为:在弹性范围内,拉伸加载时电阻值呈可逆地增加;卸载时电阻值呈可逆地减小。结果表明,碳纤维树脂基复合材料具有良好的电阻-变形敏感性,灵敏度高于60,具有满意的线性度和良好的重
2、复性,蠕变很小,稳定性较好。关键词碳纤维树脂基复合材料传感特性灵敏度循环加载现代科技的发展,使得土木工程结构和基础设材料的传感机理,为其应用于制作感知应变或损伤施的规模日益大型化和复杂化,质量要求日趋严格。的传感器奠定基础。为了保证其在服役过程中安全可靠地工作,对重要1实验部分[1]工程结构的实时在线健康监测显得越来越重要。1.1原材料然而传统的点式电测方法,由于电阻应变片难以埋PAN基碳纤维毡:其主要技术参数见表1,河南入、存活率低、捕捉范围小,再加上超声波和放射线省开封鹏远玻璃纤维制品有限公司;照相术等无
3、损检测技术的局限性,有可能使混凝土环氧树脂:E-44(6101),岳阳石油化工总厂岳基体的微开裂等损伤不能被探测到,监测系统的稳华有机化工厂;定性和耐久性都不能很好地满足工程实际的需低分子聚酰胺树脂:岳阳石油化工总厂岳华有[2]要。20世纪70~80年代,由材料失效引起的一机化工厂;系列灾难性事故的发生,促使人们寻求能从根本上导电银胶:HT1013,湖北回天胶业股份有限公[3]解决工程结构质量与安全性监测的可靠方法。司。工程塑料主要是作为结构材料使用,目前工程1.2仪器、设备[4-5]塑料的功能特性也日益得到工程界的重视。
4、碳微型材料试验机:Instron5848型,英国Instron纤维具有耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特公司;点,可加工成各种织物,沿纤维轴方向表现出很高的多通道数据采集仪:Keithley2700型,美国强度。Keithley公司;碳纤维树脂基复合材料的比强度、比模量等综可编程数字电源:Keithley2400型,美国合指标在现有结构材料中是最高的。在强度、刚度、Keithley公司。结构件重、疲劳特性等有严格要求的领域,碳纤维树表1碳纤维毡的技术参数脂基复合材料都具有优势。碳纤维及其复合材料已纵向拉伸强拉伸弹性单位
5、面积质纤维直含胶含水[6-7]量/gm-2度/N径/m率/%率/%模量/广泛用于航天、航空、体育休闲等领域。(50mm)-1GPa对于长寿命的工程结构来讲,传感元件的性能10157.02!26~12∀0.5207稳定性是一个需要重点考虑的指标,因为它对系统1.3试样制备辨识结果的准确性和正确性具有至关重要的影响。将碳纤维毡裁剪成160mm#20mm的矩形薄笔者研究的碳纤维树脂基复合材料中碳纤维以毡的片,因碳纤维毡很薄,容易损伤,故将碳纤维毡的两形式存在,导电网络已经形成,具有电阻材料特征,端用502胶固定在一张160
6、mm#30mm的中空长影响其电导率的主要因素有纤维接触数目、接触电方形纸条上,以便于操作。按图1所示,分别将细铜阻、间隙大小和网络形成等。从影响其电导率的因丝用导电银胶粘贴于碳纤维毡表面作为电极,12h素来分析碳纤维树脂基复合材料电阻随变形所发生的变化,给碳纤维毡施加单调与循环载荷,研究其变*国家自然科学基金项目(10672128)形与电阻之间的变化规律,探究碳纤维树脂基复合收稿日期:20061118宋显辉,等:碳纤维树脂基复合材料的传感特性研究49后导电银胶完全固化。在电极表面须进行镀锡处环3个周期,研究试样的重复
7、性。理,防止电极被氧化。整个制样过程中要防止碳纤(3)使试样不承受任何载荷,每天测1次电阻,维毡被折或被扭。绘制电阻随时间变化的曲线,分析碳纤维树脂基复将上述制好的碳纤维毡沿图1中虚线剪断,放合材料试样的稳定性。入长160mm,宽30mm,厚2mm的预先铺有约1mm厚环氧树脂的塑料模具中,然后将模具加满环氧树脂,最后固化,脱膜制得试样。Keithley2400图2材料伏安特性测试装置示意图2结果与分析2.1伏安特性图1碳纤维试样形状及尺寸图3示出碳纤维树脂基复合材料的伏安特性。1.4实验方法由图3可知,复合材料试样
8、的电压-电流曲线变化因碳纤维树脂基复合材料试样的电阻较小,故规律基本为线性,且近乎过零点。这表明在低压范采用四电极法来测量碳纤维毡的电阻,这样可以消围内,碳纤维树脂基复合材料试样的电压-电流关除接触电阻的影响。将试样两端分别固定到微型材系能很好的符合欧姆定律。料试验机上,试验机的夹头端部分
