碳纤维增强塑料(CFRP)力阻效应的研究评述

碳纤维增强塑料(CFRP)作为一种先进结构材料,其力阻效应的发现引起了广泛关注。基于现有研究成果,分别概述了连续碳纤维增强塑料和短切碳纤维增强塑料的力阻行为,从微观力阻现象和电场传输物理模型两方面分析了力阻效应产生的机理,并对内嵌式CFRP力阻传感器和CFRP智能表层进行了介绍。在此基础上,总结了制约CFRP在传感领域应用的因素并指出了未来研究方向。     

碳纤维毡/环氧树脂复合材料的力阻效应

以短切碳纤维毡和环氧树脂为原材料制成复合材料,考察了该材料在单向拉伸载荷下的力阻响应。实验结果表明,该材料具有正力阻效应(拉应变引起材料的电阻增大)。其中,单层碳纤维毡/环氧树脂复合材料的力阻灵敏度可达13.9,但在加载过程中其电阻表现出逐渐衰减趋势;多层碳纤维毡/环氧树脂复合材料的力阻性能更为稳定,但随着层数的增加灵敏度逐渐降低,5层复合材料的力阻灵敏度下降到5.7。多层复合材料的立体导电网络是其稳定性提升和灵敏度下降的主要原因。将碳纤维毡/环氧树脂多层复合材料敷设在梁结构表面形成智能表层,利用其力阻性能实现了梁结构在循环载荷下的变形监测以及在单调载荷作用下损伤监测。     

树脂基搭接碳纤维智能层的力阻特性

提出一种具有局部搭接结构的树脂基碳纤维智能层, 将其敷设于结构表面以检测结构受载时的变形, 实现对结构大范围监测。基于该智能层, 采用单轴拉伸和三点弯曲的加载方式, 对构件进行应变和位移检测。实验发现, 碳纤维局部搭接结构是引起力阻效应的主要因素, 其单位应变的电阻率变化的灵敏度达到104, 相当于非搭接连续碳纤维复合材料力阻效应灵敏度的34倍。实验结果还进一步表明, 树脂基搭接碳纤维智能层力阻曲线光滑稳定, 其传感极限约为8500 με。建立了树脂基搭接碳纤维复合材料的电学模型, 揭示了这种力阻效应主要来源于搭接界面处层间电阻的变化, 并从纤维轴向力、搭接面积和层间剪应变三个方面解释了这种层间电阻变化的机制。      

通电过程中单向连续CFRP的暂态效应

采用不同大小的激励电流,研究了单向连续碳纤维增强塑料(CFRP)从通电初期到稳定阶段的电压响应规律。结果表明,当激励电流≥300 m A时,在通电初期,试样的电阻急剧减小,当通电时间达到100 s左右后,电阻逐渐趋于稳定。激励电流越大,其加载初期的电阻变化速度越快,其稳定状态下的电阻变化量也越大。在通电过程中CFRP试样的温度逐渐上升,其温度变化曲线形状与电阻的暂态响应曲线形状基本相同,稳定状态下的温升随着激励电流的增大而增大。实验结果揭示了通电发热所引起的温敏效应是形成CFRP暂态响应的主要原因。     

基于连续碳纤维/树脂智能材料的梁结构应变模态表征

研制了一种具有动态传感功能的碳纤维/树脂智能层, 可用于结构的应变模态诊断。通过不同加载频率下的单向拉伸实验揭示了这种智能材料对低频动态载荷的响应能力, 并理论分析了动态响应误差的影响因素。在此基础上将碳纤维/环氧树脂智能层连续敷设于悬臂梁结构表面代替传统的点式应变片, 进行应变模态测试。测试结果表明, 碳纤维/环氧树脂智能层可以较精确地反映结构的前三阶固有频率, 并较好地表征结构的前三阶应变模态振型。对悬臂梁局部附加质量后重新进行了模态试验, 结果表明: 附加质量后, 智能层反映的结构固有频率显著下降; 同时, 在附加质量所在的节点位置, 智能层反映的应变模态振型有突变产生, 说明智能层所表征的应变模态对结构物性参数变化具有识别能力, 采用智能层与采用应变片的实验结果一致。此外, 基于碳纤维/树脂智能层的可覆盖性, 采用有限的测点全面捕捉了结构的应变模态信息, 并在测试中通过在可疑区域内逐步增加测点, 实现了结构物性参数变化的定位。     

CFRP拉挤板材的力阻效应

采用单向拉伸试验考察了碳纤维增强塑料(CFRP)拉挤板的电阻–应变响应规律。结果表明,纵向拉应变引起CFRP拉挤板纵向电阻的增大,其力阻效应的平均灵敏度为1.87,尺寸变化是其电阻变化的主要原因;CFRP拉挤板的力阻响应具有较好的线性,其非线性误差为±1.5%;循环加载过程中,CFRP拉挤板的力阻响应平稳,重复性误差为±4.3%;经过一个周期的加载–卸载试验后,CFRP拉挤板的电阻产生不可逆的增大,其迟滞误差为±4.8%。     

树脂基碳纤维复合材料应变传感稳定性研究

研究了碳纤维毡和树脂基碳纤维复合材料的应变传感特性,结果表明:虽然碳纤维毡应变传感灵敏度系数比树脂基碳纤维复合材料高1倍多,但是树脂基碳纤维复合材料比碳纤维毡应变传感稳定性高出好几倍,甚至几十倍.5层碳纤维毡树脂基复合材料的应变传感稳定性系数为12.1,远高于碳纤维毡的0.35,因为它除了有单层碳纤维毡本身的纤维搭接构成的导电网络,层间也有短切碳纤维的搭接,形成了一个新的导电性能更加完好的立体导电网络.     

基于力阻效应的CFRP加固钢梁的自检测技术

针对碳纤维增强塑料(CFRP)加固钢结构,基于加固材料自身的力阻功能特性,提出以覆盖在结构表面的CFRP加固层作为传感器实施结构的变形与损伤监测。开展了CFRP加固钢梁的三点弯曲实验,利用四电极法监测了加载过程中CFRP加固层的电阻响应。结果表明,在循环加载过程中,无论是位于受拉侧还是受压侧,CFRP加固层的电阻均能及时响应结构的变形,而且具有良好的线性和重复性;在单调加载至屈服阶段时,CFRP加固层的电阻响应曲线相应地出现转折点,当结构破坏时,该电阻响应曲线发生突变。实验结果为CFRP加固钢梁变形与损伤的自监测提供了依据。     

CFRP的剪切力阻效应

自制装置构造构件的平面纯剪切变形,将薄层状的树脂基碳纤维复合材料(CFRP)粘贴在构件的纯剪切区域表面,在弹性范围内分析了CFRP的电阻对平面纯剪切变形的响应。实验结果表明,剪应变导致单向连续碳纤维增强的CFRP的纵向电阻变化不明显,其剪切力阻效应灵敏度约为0.16;碳纤维毡增强的CFRP具有显著的剪切力阻效应,其电阻表现出随剪应变线性的可恢复的增加,其剪切力阻效应灵敏度约为2.58。结合线应变致力阻效应产生机制,并通过CFRP细观结构的分析得出,纤维的随机乱向分布及纤维搭接形态的多样性是碳纤维毡增强的CFRP存在剪切力阻效应的主要原因。     

基于CFRP智能表层的GFRP结构变形监测

以短切碳纤维毡和环氧树脂为原材料制备CFRP复合材料,提出将其作为智能表层用于GFRP结构变形监测。实验结果表明,CFRP智能表层具有稳定的伏安性能和力阻效应,随着拉应变的增加,其电阻表现出线性的可恢复的增大,且具有较好的稳定性;利用CFRP智能表层电阻变化,无论是将其敷设在受拉侧还是受压侧,均可实时监测GFRP梁的弯曲变形;通过采用不同电极布置方式的对比试验发现,CFRP智能表层的测试结果受到电极布置方式的影响,端部电极四电极法和表面电极四电极法的力阻灵敏度分别为5.9和7.3,而两电极法的灵敏度可达到13.1,但在稳定性方面四电极法优于两电极法。