單軸拉伸下CNFs改性復(fù)材應(yīng)變和損傷自感知特性研究.pdf

1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer, FRP，簡稱復(fù)材）由于其優(yōu)異的性能在很多領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，尤其在航空航天和結(jié)構(gòu)修復(fù)方面。盡管其性能優(yōu)越，F(xiàn)RP對(duì)結(jié)構(gòu)變形和微損傷非常敏感，在服役期間FRP的破壞模式是錯(cuò)綜復(fù)雜且用肉眼觀察不到的。因此，用無損技術(shù)來實(shí)時(shí)監(jiān)測FRP復(fù)合材料的變形和破壞是迫切需要的。無損電阻技術(shù)（Electrical Resistance Technique, ERT）以導(dǎo)電試件的電阻變化

2、與其變形之間的關(guān)系為原理，為導(dǎo)電的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP）的自監(jiān)測提供了一種新方法。事實(shí)上，F(xiàn)RP材料的破壞最先發(fā)生在基體中，而對(duì)導(dǎo)電性碳纖維的電阻監(jiān)測并不能識(shí)別CFRP基體中的變形和破壞。同時(shí)，這種方法對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Glass Fiber Reinforced Polymer, GFRP）以及玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Basalt Fiber Reinfo

3、rced Polymer, BFRP）等絕緣性FRP材料并不適用。導(dǎo)電納米填料的迅速發(fā)展為解決這一問題提供了新途徑。將導(dǎo)電填料均勻分散在FRP基體中，在不降低材料力學(xué)性能的基礎(chǔ)上為其提供穩(wěn)定的導(dǎo)電能力，從而使FRP材料能通過ERT進(jìn)行實(shí)時(shí)自監(jiān)測。
　　本研究選取碳納米纖維（Carbon Nanofibers, CNFs）做為導(dǎo)電增強(qiáng)相。將CNFs均勻分散在環(huán)氧樹脂（Epoxy Resin, EP）中，制備出不同CNFs含量的CNF

4、s/EP復(fù)合材料。并對(duì)其在靜態(tài)拉伸荷載、等幅度循環(huán)拉伸荷載以及遞增循環(huán)拉伸荷載下的應(yīng)變和電阻變化進(jìn)行了監(jiān)測來研究單軸拉伸下CNFs/EP的自感知特性。在此基礎(chǔ)上，將不同CNFs含量的CNFs/EP做為基體采用手糊法制做CNFs/CFRP，CNFs/GFRP以及CNFs/BFRP層合板。在單軸拉伸荷載下對(duì)CNFs改性的FRP層合板進(jìn)行原位電阻監(jiān)測來實(shí)現(xiàn)FRP材料對(duì)其基體機(jī)械應(yīng)變和損傷的自感知。最后監(jiān)測CNFs改性的FRP層合板在-30-6

5、0℃下三次溫度循環(huán)的電阻變化，研究其溫敏特性。結(jié)果表明，單軸拉伸荷載下CNFs/EP的壓阻性是穩(wěn)定的，并且可以通過ERT成功識(shí)別其自身的變形和破壞，滿足作為智能基體的要求。CNFs改性FRP層壓板的應(yīng)變與電阻變化之間具有穩(wěn)定的相關(guān)性，基體中的CNFs可以作為傳感器在整個(gè)測試過程中提供試件的變形和損傷信息。FRP層壓板通過ERT實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)自感知，包括評(píng)估材料變形，識(shí)別基體的彈塑性階段以及預(yù)警材料破壞等。多次溫度循環(huán)后其溫敏特性是穩(wěn)定的，可