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1、48工程塑料應(yīng)用2007年,第35卷,第2期*碳纖維樹脂基復合材料的傳感特性研究宋顯輝劉冬呂泳李卓球(武漢理工大學理學院,武漢430070)摘要通過伏安特性實驗,表明碳纖維樹脂基復合材料的伏安特性曲線基本過零點,且線性較好,其電流-電壓關(guān)系符合歐姆定律。通過對碳纖維樹脂基復合材料進行拉伸、循環(huán)加載等試驗,得到其電阻隨變形而變化的規(guī)律為:在彈性范圍內(nèi),拉伸加載時電阻值呈可逆地增加;卸載時電阻值呈可逆地減小。結(jié)果表明,碳纖維樹脂基復合材料具有良好的電阻-變形敏感性,靈敏度高于60,具有滿意的線性度和良好的重
2、復性,蠕變很小,穩(wěn)定性較好。關(guān)鍵詞碳纖維樹脂基復合材料傳感特性靈敏度循環(huán)加載現(xiàn)代科技的發(fā)展,使得土木工程結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)材料的傳感機理,為其應(yīng)用于制作感知應(yīng)變或損傷施的規(guī)模日益大型化和復雜化,質(zhì)量要求日趨嚴格。的傳感器奠定基礎(chǔ)。為了保證其在服役過程中安全可靠地工作,對重要1實驗部分[1]工程結(jié)構(gòu)的實時在線健康監(jiān)測顯得越來越重要。1.1原材料然而傳統(tǒng)的點式電測方法,由于電阻應(yīng)變片難以埋PAN基碳纖維氈:其主要技術(shù)參數(shù)見表1,河南入、存活率低、捕捉范圍小,再加上超聲波和放射線省開封鵬遠玻璃纖維制品有限公司;照相術(shù)等無
3、損檢測技術(shù)的局限性,有可能使混凝土環(huán)氧樹脂:E-44(6101),岳陽石油化工總廠岳基體的微開裂等損傷不能被探測到,監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)華有機化工廠;定性和耐久性都不能很好地滿足工程實際的需低分子聚酰胺樹脂:岳陽石油化工總廠岳華有[2]要。20世紀70~80年代,由材料失效引起的一機化工廠;系列災(zāi)難性事故的發(fā)生,促使人們尋求能從根本上導電銀膠:HT1013,湖北回天膠業(yè)股份有限公[3]解決工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量與安全性監(jiān)測的可靠方法。司。工程塑料主要是作為結(jié)構(gòu)材料使用,目前工程1.2儀器、設(shè)備[4-5]塑料的功能特性也日益得到工程界的重視。
4、碳微型材料試驗機:Instron5848型,英國Instron纖維具有耐高溫、耐摩擦、導電、導熱及耐腐蝕等特公司;點,可加工成各種織物,沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的多通道數(shù)據(jù)采集儀:Keithley2700型,美國強度。Keithley公司;碳纖維樹脂基復合材料的比強度、比模量等綜可編程數(shù)字電源:Keithley2400型,美國合指標在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。在強度、剛度、Keithley公司。結(jié)構(gòu)件重、疲勞特性等有嚴格要求的領(lǐng)域,碳纖維樹表1碳纖維氈的技術(shù)參數(shù)脂基復合材料都具有優(yōu)勢。碳纖維及其復合材料已縱向拉伸強拉伸彈性單位
5、面積質(zhì)纖維直含膠含水[6-7]量/gm-2度/N徑/m率/%率/%模量/廣泛用于航天、航空、體育休閑等領(lǐng)域。(50mm)-1GPa對于長壽命的工程結(jié)構(gòu)來講,傳感元件的性能10157.02!26~12?0.5207穩(wěn)定性是一個需要重點考慮的指標,因為它對系統(tǒng)1.3試樣制備辨識結(jié)果的準確性和正確性具有至關(guān)重要的影響。將碳纖維氈裁剪成160mm#20mm的矩形薄筆者研究的碳纖維樹脂基復合材料中碳纖維以氈的片,因碳纖維氈很薄,容易損傷,故將碳纖維氈的兩形式存在,導電網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)形成,具有電阻材料特征,端用502膠固定在一張160
6、mm#30mm的中空長影響其電導率的主要因素有纖維接觸數(shù)目、接觸電方形紙條上,以便于操作。按圖1所示,分別將細銅阻、間隙大小和網(wǎng)絡(luò)形成等。從影響其電導率的因絲用導電銀膠粘貼于碳纖維氈表面作為電極,12h素來分析碳纖維樹脂基復合材料電阻隨變形所發(fā)生的變化,給碳纖維氈施加單調(diào)與循環(huán)載荷,研究其變*國家自然科學基金項目(10672128)形與電阻之間的變化規(guī)律,探究碳纖維樹脂基復合收稿日期:20061118宋顯輝,等:碳纖維樹脂基復合材料的傳感特性研究49后導電銀膠完全固化。在電極表面須進行鍍錫處環(huán)3個周期,研究試樣的重復
7、性。理,防止電極被氧化。整個制樣過程中要防止碳纖(3)使試樣不承受任何載荷,每天測1次電阻,維氈被折或被扭。繪制電阻隨時間變化的曲線,分析碳纖維樹脂基復將上述制好的碳纖維氈沿圖1中虛線剪斷,放合材料試樣的穩(wěn)定性。入長160mm,寬30mm,厚2mm的預先鋪有約1mm厚環(huán)氧樹脂的塑料模具中,然后將模具加滿環(huán)氧樹脂,最后固化,脫膜制得試樣。Keithley2400圖2材料伏安特性測試裝置示意圖2結(jié)果與分析2.1伏安特性圖1碳纖維試樣形狀及尺寸圖3示出碳纖維樹脂基復合材料的伏安特性。1.4實驗方法由圖3可知,復合材料試樣
8、的電壓-電流曲線變化因碳纖維樹脂基復合材料試樣的電阻較小,故規(guī)律基本為線性,且近乎過零點。這表明在低壓范采用四電極法來測量碳纖維氈的電阻,這樣可以消圍內(nèi),碳纖維樹脂基復合材料試樣的電壓-電流關(guān)除接觸電阻的影響。將試樣兩端分別固定到微型材系能很好的符合歐姆定律。料試驗機上,試驗機的夾頭端部分
