混凝土结构用CFRP筋的感知性能试验研究

对混凝土结构用CFRP筋及其加筋混凝土梁的力学性能和感知性能进行试验研究。自行研制开发了不同直径和表面处理形式的CFRP筋。在此基础上,制作了三组各6个标准受拉试件,分别测试了CFRP筋的弹性模量、极限抗拉强度和电阻变化率,得到了相应的变化曲线;其次制作了两组各3根CFRP加筋混凝土梁,测试了梁中CFRP筋电阻随载荷增加的变化曲线。研究表明,CFRP筋具有很好的力学性能和感知性能,对于混凝土结构加强筋和结构受力状态监测具有广泛的应用前景。     

基于电阻信号的CFRP纤维断裂识别实验及理论模型

碳纤维是决定CFRP复合材料性能的主要因素之一,因此为保证复合材料结构的健康状态、识别纤维的损伤与断裂就显得至为关键。文中通过加载电流并采集电阻信号的方式来识别CFRP复合材料中碳纤维的健康状态,通过实验和理论分析的方法进行了深入研究。实验针对2种不同铺层的试件进行测量:单向层合板[0]8和正交层合板[0/90]4。对试件端部进行了粘接铜箔处理以使试件稳定导电,使用KEITULEY2700数据采集仪测量试件电阻。实验内容包括静态电阻测量、拉伸受力状态下材料的电阻特性分析,并建立和推导了电阻-应变理论分析模型,进行了通电疲劳实验。研究结果表明,碳纤维的铺层角度对CFRP结构电阻有较大影响,[0]8铺层材料电导率和破坏强度约为[0/90]4铺层材料的2倍;CFRP材料受外载荷作用时,损伤程度与其电阻变化有对应的关系,其电阻信号变化可以作为反映材料损伤情况和识别纤维断裂的主要参数;实验结果与所建立的电阻-应变模型拟合结果吻合较好。文中研究的CFRP纤维断裂识别和航空复合材料结构健康监控及实时监测具有重要的意义。     

CFRP筋拉伸强度预测模型评价及应用

在初步建立CFRP筋拉伸强度预测模型基础上,对该模型典型因子影响材料强度权重进行研究评价,根据结果提出CFRP筋制备过程中强度补偿机制。结果表明:典型因子碳纤维拉伸强度(σf)和体积分数(Vf)对CFRP筋拉伸强度影响最为显著(影响率为39.1%~46.7%和43.5%~52.6%),是决定CFRP筋拉伸性能的最重要因素。公称直径(D)对CFRP筋拉伸强度存在一定程度影响(影响率7.1%~15.4%)。基体树脂强度(σm)对CFRP筋拉伸强度影响不明显(影响率0.3%~1.0%),相比其他三种因素,可近似忽略。依据预测模型典型因子强度补偿规律,可较方便推测CFRP筋组分碳纤维强度及体积分数参数。     

碳纳米管复合亚麻纤维柔性传感材料的制备

导电的碳纳米管(CNTs)与不导电的亚麻纤维(CEL)相结合,可以得到柔性导电复合材料。拉伸或弯曲该材料对其导电性能影响很大。根据电阻变化率(ΔR/R₀)可以敏锐地检测到材料形状的变化,因此CNTs/CEL复合材料适用于柔性传感器。用NaOH/尿素水体系处理亚麻纤维,得到CEL浆,再与不同浓度的CNTs悬浊液混合、抽滤、干燥,制得了CNTs/CEL复合材料。用XRD、FTIR和SEM分析了CNTs/CEL复合材料的结构形态。将CNTs/CEL复合材料制成形变传感器,用拉伸导电性能测试了拉伸对传感器导电性能的影响;将传感器应用到手指关节上,用电阻变化监测了手指弯曲时传感器的形变敏感性。结果发现,随着拉伸应变的增加,CNTs/CEL传感器的电阻变化率ΔR/R₀逐渐增大,50%应变下,ΔR/R₀达到980以上,能灵敏地感知到形状的变化;随着手指关节弯曲程度的增加,CNTs/CEL传感器电阻随之增大,手指最大程度弯曲时,CNTs/CEL传感器电阻可以达到12000 Ω以上,而且重复性良好。      

CFRP筋增强ECC梁弯曲性能试验研究

为研究碳纤维增强树脂复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)筋/超高韧性纤维增强水泥基复合材料(Engineered cementitious composite,ECC)梁的抗弯性能,对3根CFRP筋/ECC梁、1根玻璃纤维增强树脂复合材料(Glass fiber reinforced polymer,GFRP)筋/梁和1根CFRP筋混凝土梁进行了四点弯曲试验,分析了配筋率、纤维增强树脂复合材料(Fiber reinforced polymer,FRP)筋类型和基体类型对梁抗弯性能的影响。试验结果表明:CFRP筋/ECC梁与GFRP筋/ECC梁和CFRP筋混凝土梁类似,均经历了弹性阶段、带裂缝工作阶段和破坏阶段;配筋率对CFRP筋/ECC梁的受弯性能影响较大。随着配筋率的增加,CFRP筋/ECC梁的承载能力不断提高,延性性能逐渐减弱;ECC材料优异的应变硬化能力和受压延性,使得CFRP筋/ECC梁的极限承载能力和变形能力均优于CFRP筋混凝土梁;由于ECC材料多裂缝开裂能力,CFRP筋/ECC梁开裂后,纵筋表面应变分布比CFRP筋混凝土梁更均匀; 由于聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol,PVA)纤维的桥联作用,CFRP筋/ECC梁破坏时,其表面出现了大量的细密裂缝,且能保持较好的完整性和自复位能力;正常使用阶段,CFRP筋/ECC梁的最大弯曲裂缝宽度均小于CFRP筋混凝土梁。最后,根据试验结果,建立了基于等效应力图的CFRP筋/ECC梁弯曲承载力简化计算模型,确定模型中的相关系数。由简化模型计算的极限承载力与试验结果具有较好的相关性。      

碳纤维单丝偏轴拉伸力阻效应实验与理论分析

碳纤维在复合材料基体中的分布较大程度地影响了碳纤维智能材料的感知特性,故需在微米尺度下研究多角度偏轴拉伸下的碳纤维单丝的力电功能响应。测试了不同角度拉伸环境下碳纤维单丝的电阻变化,并对其电阻的变化情况进行了分析。结果表明碳纤维单丝在外载荷偏轴拉伸作用下电阻变化与拉伸角度间存在非线性关系。外载荷在纤维方向产生的应变对电阻变化率的作用强于垂直纤维方向应变对电阻变化率的作用,62°拉伸角为正负力阻效应的临界角度。     

玻/涤混杂3D机织复合材料拉伸性能的研究

混杂纤维增强复合材料是一种新型的复合材料.本文探索了混杂纤维复合材料体积含量的计算方法,通过改变混杂比设计了四种线型并对复合材料拉伸性能进行研究,观察断口形貌,分析其断裂机理.结果表明:混杂纤维增强复合材料拉伸断裂过程与纤维各组分的强度、伸长以及树脂材料性质关系密切.随着涤纶含量的增加,混杂纱线密度逐渐减小,而板材的断裂伸长率逐渐增加.试样抗拉强度与涤纶百分含量呈二次方关系,涤纶含量为60.682%时复合材料抗拉强度达到最小值,材料发生二次断裂.     

CFRP筋的疲劳性能

进行了不同循环应力下CFRP筋的常温疲劳试验,选取CFRP筋70％的极限拉伸应力作为最大循环应力,在R=0．5（最小循环应力与最大循环应力的比）和R=0的应力率下,测量了CFRP筋的疲劳寿命曲线,研究了CFRP筋的疲劳性能．结果表明：CFRP筋的最大循环应力应控制在70％极限拉伸应力以下;在R=0．5应力率下,最大循环应力下降5％的极限拉伸应力时,CFRP筋的疲劳寿命增长10倍左右;最大循环应力分别为60％和50％极限拉伸应力时,R=0应力率下CFRP筋的疲劳寿命分别为R=0．5应力率下疲劳寿命的百分之一和十分之一．这说明CFRP筋具有很大的脆性,需要有足够的强度安全系数,才能发挥作用;根据试验拟合的疲劳寿命曲线,CFRP筋的疲劳性能远高于Q235光圆钢筋．     

CFRP筋夹板式锚具锚固性能试验研究

设计了一种CFRP 筋夹板式锚具,通过对40 个CFRP 筋-锚具组装件的拉拔试验,研究了锚固长度、螺栓预紧力、螺栓数量和CFRP 筋表面处理等对锚具锚固性能的影响.试验结果表明:试件的破坏形态包括CFRP筋的滑移、断裂和拉脱三种,试件达到极限荷载时的滑移量较小.增加锚固长度、螺栓总预紧力、螺栓数量以及对CFRP 筋表面打磨处理均可在一定范围内提高锚具试件的极限荷载.通过合理控制上述参数,可以使锚具发挥良好的锚固性能,满足实际使用要求.该文给出了CFRP 筋夹板式锚具合理的构造和螺栓预紧力值.在试验研究基础上,分析了CFRP 筋夹板式锚具的锚固作用机理,建立考虑锚固长度、螺栓预紧力和螺栓数量的CFRP 筋-锚具界面平均摩擦系数模型,并提出夹板式锚具的极限荷载计算公式,与试验结果吻合良好,具有较好的适用性.     

LDPE-Ni/多晶铁纤维电磁屏蔽包装材料研究

为制备一种性能优良,使用方便的电磁屏蔽包装材料,用多晶铁纤维和镍粉作为导电填料,填加到LDPE中,制备成了LDPE-Ni/多晶铁纤维电磁屏蔽材料.研究发现,该材料的屏蔽效能值为20dB;"渗滤阈值"为20%～25%;由于多晶铁纤维的复合磁损耗机理,材料的具有一定的吸波功能;当多晶铁纤维和镍粉的含量为18%时,复合材料达到最大拉伸强度12.5MPa,而其断裂伸长率呈下降趋势.