基于国家自然科学基金项目“核安全壳应力监测的复合敏感层传感机理及成像”,围绕碳毡复合层的力学传感特性,开展了不同尺度下碳毡复合层的力阻效应及其机理等研究工作。研究内容包括碳纤维毡复合层分别在手糊成型工艺和真空袋压成型工艺下的宏观力阻特性、碳纤维单丝在不同表面改性方式下的力阻效应、基于随机高阶电阻网络的碳毡复合层的统计建模及其应用等工作。主要获得了以下几个方面的研究成果：(1)通过系列实验得到了碳毡复合层分别在手糊工艺和真空袋压工艺下其力阻特性及灵敏度上的力阻响应规律,结果表明手糊成型工艺下碳毡复合层具有高灵敏度但稳定性欠缺,真空袋压工艺下碳毡复合层高稳定性但灵敏度较低的传感特征,发现并分析了影响复合层力阻效应的实质在于纤维单丝自身的力阻特性、纤维搭接处电阻的变化以及碳毡无规导电网络受载下的响应。(2)表面改性对碳纤维单丝的力阻传感特性有所作用。硝酸液相氧化4h可使得碳单丝灵敏系数和线性度达到最优,经丙酮表面处理后其灵敏系数以及线性度有较为显著的提高。(3)同一外载荷在纤维方向产生的应变对碳纤维单丝电阻变化率的作用强于垂直纤维方向上的应变对电阻变化率的作用,且两者力阻效应反向。得到了外载荷作用下碳纤维单丝电阻变化率与偏轴拉伸角度间的非线性关系,62°拉伸偏转角为正负力阻效应的临界角度。(4)建立了N×N阶电阻网络计算模型,结合碳毡导电机理的研究背景对此模型进行了改进,并通过自设计程序予以实现大规模计算,通过多组不同阶数下精密电阻随机组网的统计实验,在置信度为95%下验证了模型和算法的可靠性和高精确度。(5)捕捉到了碳纤维单丝接触处的电阻响应在不同受载阶段下的实验现象,分析发现纤维搭接处受到外加载荷在尚未破坏前,搭接处的电阻表现为接触电阻,压应变增大接触电阻表现出同步线性减小,压应变减小接触电阻同步线性地增大。当外载荷超过阂值后接触处发生破坏,搭接处纤维间的相对位置发生微弱改变,原接触电阻表现为由隧道效应产生的非接触电阻,阻值急剧增大且随外载同步变化。(6)基于N×N阶电阻网络计算模型,建立由改性后碳纤维单丝拼构形成的纤维网络单元,通过图像处理技术获得了计算模型的中各阻值,结果表明计算所得网络初始电阻与实测阻值较为接近,且所建网络模型能较好地体现碳毡复合层的力阻传感特性。(7)微米尺度下进行碳毡复合层的细观统计建模,得到碳毡内平均搭接长度为12.2μm等重要网络参数。基于随机电阻网络模型分别估测了不同尺寸的碳毡复合层的初始电阻,估测均值较为接近相应实测值,首次通过该模型对碳毡复合层的力阻特性进行了描述,结果表明本文所建电阻网络模型可用于定量地表征碳毡复合层受外载时体现出的力阻特性。