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1、第21卷第3期高分子材料科学与工程Vol.21,No.32005年5月POLYMERMATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGMay2005电阻法研究炭纤维树脂基复合材料结构健康监控毛亚琴,武德珍,杨小平(北京化工大学材料科学与工程学院,北京100029)摘要:综述了利用炭纤维树脂基复合材料(简称CFRP)自身的导电性,采用直流或交流电阻法在线监测CFRP复合材料在各种单一、循环载荷条件下的电阻变化,将电阻信号与材料微观结构的变化联系起来,从而对CFRP复合材料进行结构健康监控,使电阻法成为一种本征
2、智能化自诊断技术。关键词:炭纤维增强树脂基复合材料;电阻法;结构健康监测;智能化自诊断中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:1000-7555(2005)03-0016-051前言大于0.7%时,电阻的变化偏离直线,表明一部炭纤维复合材料的体积电阻与其所受外分弱质纤维开始断裂。当形变达到1.2%时,电力、自身变形及内部拓扑演化(如损伤及其扩阻增大的幅度变大,表明更多的炭纤维发生断展)具有显著的相关性,可以作为一种具有传感裂并引发了其它的破坏形式。特性和内部结构损伤自诊断的新型机敏材料,近年来受到许多研究者的重视
3、。现有的研究工作主要集中于材料特性和机理研究,国内侧重于短切纤维复合材料的电性能研究、电阻法测试方法的建立以及电阻率-温度-应力关系的研[1～6]究,国外利用电阻法对连续纤维增强树脂基(简称CFRP)层合结构的复合材料进行破坏检测和结构健康监测开展的工作比较系统深Fig.1Thestress-electricalresistance-straincurveat[7～10]tensiletestingofaunidirectionallaminate入。本文主要就CFRP复合材料在各种受力载荷下体积电阻随应力、内部损伤所
4、发生的2.2在循环拉伸条件下[12]变化进行了分析总结,以期使电阻法成为ChungD.D.L.对由环氧树脂作基体的CFRP复合材料的一种新的无损检测技术。CFRP单向层压复合材料进行循环拉伸实验,以电阻峰值对循环次数作图,如Fig.2所示,在2单向层压CFRP复合材料在各种加载条件55%疲劳寿命以后,电阻开始不连续地增加,但下电阻与内部结构变化之间的关系研究并非每一次循环都增加,而是在整个循环过程2.1在单一拉伸条件下中趋于增加,这说明炭纤维发生微小断裂。当达[11]KupkeM.等对单向层压CFRP复合材到89%疲劳
5、寿命以后,电阻在每一次循环中都料进行单一拉伸实验,结果如Fig.1所示。Fig.增加,表明炭纤维在每次循环中都发生断裂。当1表明,当形变小于0.7%时,电阻随形变的增达到99.9%的疲劳寿命时,电阻连续而迅速增大线性增加,这可由R=L/S来解释。当形变加,表明炭纤维在每次循环和整个循环过程中收稿日期:2003-08-06;修订日期:2004-08-10基金项目:国家863计划资助项目(2001AA335030)作者简介:毛亚琴(1978-),女,硕士.联系人:武德珍E-mail:wdz@mail.buct.edu
6、.cn第3期毛亚琴等:电阻法研究炭纤维树脂基复合材料结构健康监控都发生断裂。所以通过追踪整个疲劳过程中的监测其宏观破坏。实验发现,电阻随应变的增加电阻变化,可以在线监测材料发生疲劳损伤的而增加的幅度与炭纤维的体积分数有关。当炭程度,从而避免致命性的损毁。纤维体积分数较低时,电阻随破坏的产生发生跳跃式变化;当炭纤维体积分数较大时,电阻随应变的发展渐次变化。这是因为当炭纤维体积分数较低时,导电性主要由外层材料决定,当弯曲至材料极限性质时,外层首先以脆性方式断裂,从而引起电阻急剧增大;当炭纤维体积分数较高时,导电性由内层和外
7、层共同决定,当外层断裂时,电阻主要由内层决定,所以变化不明显。2.4在循环继扭转弯曲条件下[15]P.F.GOBIN和Y.JAYET对单向CFRP层压复合材料进行了循环继扭转弯曲实Fig.2VariationofthepeakR/R0attheendofacyclewiththepercentageoffatiguelifeduringtension-验,并详细研究其疲劳破坏过程,如Fig.3所tensionfatiguetest示。在第一次循环中,电阻的增加一部分是由于WangX.J.等通过溶掉聚合物基质得到单炭纤
8、维的伸长,另一部分是由于个别弱质纤维根炭纤维,对单根炭纤维进行同样的电力学测的断裂(即使模量并未减小)。在循环的卸载过试,发现其电阻在疲劳过程中的变化与CFRP程中,电阻会有所减小,这是因为已断裂的炭纤[13]单向层压复合材料相似。在循环压缩实验维通过在基体中的滑移再次接触,仍能起到导中,随着疲劳压缩的进行,电阻变化趋势与拉伸电的
