单轴拉伸下CNFs改性复材应变和损伤自感知特性研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:alimamaai
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纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer, FRP,简称复材)由于其优异的性能在很多领域发挥了重要作用,尤其在航空航天和结构修复方面。尽管其性能优越,FRP对结构变形和微损伤非常敏感,在服役期间FRP的破坏模式是错综复杂且用肉眼观察不到的。因此,用无损技术来实时监测FRP复合材料的变形和破坏是迫切需要的。无损电阻技术(Electrical Resistance Technique, ERT)以导电试件的电阻变化与其变形之间的关系为原理,为导电的碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP)的自监测提供了一种新方法。事实上,FRP材料的破坏最先发生在基体中,而对导电性碳纤维的电阻监测并不能识别CFRP基体中的变形和破坏。同时,这种方法对玻璃纤维增强复合材料(Glass Fiber Reinforced Polymer, GFRP)以及玄武岩纤维增强复合材料(Basalt Fiber Reinforced Polymer, BFRP)等绝缘性FRP材料并不适用。导电纳米填料的迅速发展为解决这一问题提供了新途径。将导电填料均匀分散在FRP基体中,在不降低材料力学性能的基础上为其提供稳定的导电能力,从而使FRP材料能通过ERT进行实时自监测。  本研究选取碳纳米纤维(Carbon Nanofibers, CNFs)做为导电增强相。将CNFs均匀分散在环氧树脂(Epoxy Resin, EP)中,制备出不同CNFs含量的CNFs/EP复合材料。并对其在静态拉伸荷载、等幅度循环拉伸荷载以及递增循环拉伸荷载下的应变和电阻变化进行了监测来研究单轴拉伸下CNFs/EP的自感知特性。在此基础上,将不同CNFs含量的CNFs/EP做为基体采用手糊法制做CNFs/CFRP,CNFs/GFRP以及CNFs/BFRP层合板。在单轴拉伸荷载下对CNFs改性的FRP层合板进行原位电阻监测来实现FRP材料对其基体机械应变和损伤的自感知。最后监测CNFs改性的FRP层合板在-30-60℃下三次温度循环的电阻变化,研究其温敏特性。结果表明,单轴拉伸荷载下CNFs/EP的压阻性是稳定的,并且可以通过ERT成功识别其自身的变形和破坏,满足作为智能基体的要求。CNFs改性FRP层压板的应变与电阻变化之间具有稳定的相关性,基体中的CNFs可以作为传感器在整个测试过程中提供试件的变形和损伤信息。FRP层压板通过ERT实现了实时自感知,包括评估材料变形,识别基体的弹塑性阶段以及预警材料破坏等。多次温度循环后其温敏特性是稳定的,可以为实际使用过程中的温度补偿提供依据。
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