電阻法診斷碳布/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料壓縮損傷

謝小林， 洪 珍， 李志鵬， 權(quán)紅英， 范紅青

（南昌航空大學(xué)無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室，南昌 330063）

碳布增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強、使用溫度高、耐腐蝕性好、耐疲勞等優(yōu)點，在許多領(lǐng)域，特別是航空航天方面有較廣泛的應(yīng)用［1～3］。碳纖維有良好的導(dǎo)電性，碳纖維含量較高的復(fù)合材料能夠?qū)щ姴⒂幸欢ǖ碾娮?。?dāng)復(fù)合材料受到外力作用而產(chǎn)生損傷時，復(fù)合材料的電阻會發(fā)生變化。因此，可以利用復(fù)合材料的電阻變化而對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的狀況進行監(jiān)測，即電阻法診斷復(fù)合材料損傷方法［4～7］。聲發(fā)射技術(shù)能夠?qū)崟r監(jiān)測材料或零部件受力時產(chǎn)生的變形、斷裂或內(nèi)部缺陷擴大而發(fā)出的瞬時彈性波特征并以此表征材料結(jié)構(gòu)狀況，是一種監(jiān)測復(fù)合材料損傷的有效方法［8～10］。

不少人研究了拉伸載荷對碳纖維復(fù)合材料電阻的影響，并確定電阻法監(jiān)測復(fù)合材料拉伸損傷的的依據(jù)［11～13］。與拉伸載荷相比，壓縮載荷對復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響并不相同。并且，復(fù)合材料的壓縮破壞很難根據(jù)基體材料及增強材料力學(xué)性能復(fù)合規(guī)律預(yù)測出來。因此，利用電阻法診斷復(fù)合材料的壓縮損傷對提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)使用安全更有意義。但針對壓縮載荷對碳纖維復(fù)合材料電阻影響的研究未見有報道。本工作研究了壓縮載荷對碳布增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料電阻及聲發(fā)射能量的影響，分析了引起復(fù)合材料電阻變化的機理，結(jié)合聲發(fā)射能量變化，得出了電阻法診斷復(fù)合材料壓縮損傷的依據(jù)。

1 實驗

1.2 原材料與主要設(shè)備

將商品級G803/5224碳纖維布增強環(huán)氧樹脂預(yù)浸料作為原料，按照［0/90］，［0/90/± 45］，［±45］鋪層方向進行鋪層（7層），并選用厚度為0.2mm，直徑為5mm圓銅片作為電極材料，按一定間距對稱置于第1、2層之間及第6、7層之間（銅片一半露在復(fù)合材料表面），放入熱壓機中采用模壓成型方法制備碳布/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層合板。其中，固化壓力0.6±0.1MPa，固化溫度為180℃，固化時間為120～150min。本工作所制備的復(fù)合材料層合板規(guī)格分別記為［0/90］7，［0/90/± 45］7，［±45］7，碳纖維體積含量約為56%，板材厚度約為2.0mm。

1.2 性能測試

將復(fù)合材料層合板制成標(biāo)準(zhǔn)壓縮試樣，長×寬×厚為80mm×50mm×2mm。為了保護試樣不被夾具夾壞，在壓縮試樣二端上、下表面分別粘貼玻璃鋼增強片。在（25±2）℃的室溫條件下，利用萬能材料試驗機對復(fù)合材料進行壓縮試驗（加載速度為1mm/min），同時采用34970A多通道數(shù)據(jù)采集器、PCI-2型聲發(fā)射檢測儀檢測（具體參數(shù)為:門檻值30dB，采樣率4MHz，觸發(fā)定義時間800μs）復(fù)合材料在壓縮過程中的電阻值和聲發(fā)射能量。其中，復(fù)合材料的電阻通過導(dǎo)線與銅片電極直接連接進行測量;復(fù)合材料聲發(fā)射能量以凡士林為耦合劑將探頭粘附在試樣上進行采集。復(fù)合材料壓縮試驗示意圖如圖1所示。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 壓縮載荷對復(fù)合材料電阻的影響

表1列出了碳布/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在壓縮試驗中的相關(guān)性能數(shù)據(jù)。

圖2為不同規(guī)格碳布/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在壓縮過程中電阻變化率隨壓縮應(yīng)變的變化規(guī)律圖。

表1 復(fù)合材料壓縮性能Table 1 Compress properties of composites

圖2 復(fù)合材料壓縮應(yīng)變-電阻變化關(guān)系圖Fig.2 Compress strain-resistance change of composites

從圖2可以看出，隨著壓縮應(yīng)變的增加，不同規(guī)格的復(fù)合材料的電阻變化表現(xiàn)不同的趨勢。對于［0/90］7復(fù)合材料，在壓縮的初始階段（應(yīng)變ε＜0.7%），復(fù)合材料的電阻上下波動并緩慢增加;在壓縮的后續(xù)階段（ε＞0.7%），電阻仍然曲折上升但增速明顯變大，當(dāng)復(fù)合材料被壓斷時，電阻增幅達到最大值為9.41%。對于［0/90/±45］7復(fù)合材料，在壓縮的初始階段（ε＜0.3%），復(fù)合材料的電阻緩慢增加，最大增幅為2.21%;在壓縮的中間階段（ε為0.3% ～1.05%），電阻快速下降，最大降幅為11.8%;在壓縮的結(jié)束階段（ε＞1.1%），電阻又呈上升趨勢，但當(dāng)復(fù)合材料被壓斷時，電阻仍然低于初始電阻，降幅為7.3%。對于［±45］7復(fù)合材料，在壓縮的初始階段（ε＜0.45%），復(fù)合材料的電阻小幅上下波動;在壓縮的中間階段（ε為0.45% ～0.7%），電阻快速下降，最大降幅為19.28%;在壓縮的后續(xù)階段（ε為0.7% ～1.4%），電阻保持基本不變;在壓縮的結(jié)束階段（ε＞1.4%），電阻又呈上升趨勢，但當(dāng)復(fù)合材料被壓斷時，電阻仍然比初始電阻下降了16.6%。

外加壓縮載荷引起復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，從而改變其內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致電阻變化。圖3為［0/90］7復(fù)合材料在壓縮試驗中厚度方向上截面內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化示意圖。從圖3可以看出，在復(fù)合材料壓縮破壞之前，復(fù)合材料的壓縮載荷主要由基體材料承擔(dān)，復(fù)合材料中的碳纖維被壓實（圖3b）。當(dāng)復(fù)合材料被壓縮破壞時，復(fù)合材料中的碳纖維產(chǎn)生屈曲、分層，從而使復(fù)合材料在剪切應(yīng)力的作用下被壓縮破壞（圖3e）。

碳纖維復(fù)合材料遵循通道導(dǎo)電模式（相互接觸的碳纖維）與隧道效應(yīng)導(dǎo)電模式（間距為10nm左右的碳纖維）進行導(dǎo)電。根據(jù)歐姆定律及材料力學(xué)性能可得出:

其中，ΔR/R0為復(fù)合材料電阻變化率;ν為復(fù)合材料泊松比;ε為復(fù)合材料形變。由公式（1）可見，復(fù)合材料電阻的變化主要由材料應(yīng)變以及電阻率變化引起的。

圖3 壓縮試驗中復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化示意圖 （a）初始狀態(tài);（b）樹脂裂紋狀態(tài);（c）分層狀態(tài);（d）纖維斷裂狀態(tài);（e）壓縮破壞Fig.3 Schematic diagram of internal structural changes of composites during compress test（a）original state;（b）state of resin crack;（c）state of delamination;（d）state of fiber fracture;（e）state of compress breakage

在壓縮試驗中，復(fù)合材料的形變ε勻速增加。在復(fù)合材料形變過程中，壓縮應(yīng)力對復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響在不同階段是不一樣的，對復(fù)合材料的電阻率ρ的影響也各不相同。因此，在不同階段，復(fù)合材料電阻率變化Δρ（復(fù)合材料中通道導(dǎo)電與隧道效應(yīng)導(dǎo)電狀況發(fā)生變化）也不相等。這也就是在壓縮的整個過程中，復(fù)合材料的電阻并沒有線性增加的原因，而是出現(xiàn)了不同趨勢的幾個階段。

圖2所示在壓縮試驗過程中，不同規(guī)格的復(fù)合材料的電阻變化表現(xiàn)不同的趨勢。這是因為對于［0/90］7復(fù)合材料，在壓縮試驗的開始階段，復(fù)合材料碳布中垂直于壓力方向的不同碳纖維絲束以及同一絲束的碳纖維被壓緊，這樣會使各層碳纖維之間以及同一層碳纖維之間相互接觸點數(shù)目增多，復(fù)合材料中導(dǎo)電通道也增多，從而會使復(fù)合材料電阻減小。但平行于壓力方向的碳纖維有輕微彎曲變形產(chǎn)生同向屈曲（電阻減?。⒎聪蚯娮柙龃螅?，在這三者的綜合作用下，復(fù)合材料的電阻出現(xiàn)上下波動，但幅度并不大。當(dāng)壓力逐漸增大，碳纖維就會偏軸失穩(wěn)，向外彎曲變形，這樣會使各層碳纖維之間存在分層破壞的趨勢，碳纖維之間相互接觸點數(shù)目開始減少，復(fù)合材料中少數(shù)導(dǎo)電通道被破壞，從而引起復(fù)合材料電阻增加。雖然在這個過程中，復(fù)合材料在長度方向上，仍然被壓縮，也會使得長度方向上碳纖維之間的間隙變小，存在隧道效應(yīng)電阻變小的趨勢，但抵消不了導(dǎo)電通道被破壞引起的電阻增加。隨著壓縮應(yīng)力的繼續(xù)增大，特別是環(huán)氧樹脂的粘合作用被破壞，在由壓縮載荷產(chǎn)生的壓縮剪切應(yīng)力作用下，碳纖維逐漸被分層破壞、壓斷。在這一階段，復(fù)合材料中層與層之間碳纖維相互接觸顯著減少，導(dǎo)電通道被快速斷開，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)被破壞，隧道效應(yīng)電阻也會增加，從而使得復(fù)合材料電阻迅速增加，處于復(fù)合材料電阻快速增加階段。因此，在應(yīng)變?yōu)?.7%之后，復(fù)合材料電阻又逐漸增大，并最終達到最大值。

與［0/90］7復(fù)合材料相比，由于［0/90/±45］7，［±45］7復(fù)合材料中平行和垂直于壓縮應(yīng)力的碳纖維含量減少，與壓縮應(yīng)力成45°方向上的碳纖維含量增加，碳纖維對環(huán)氧樹脂的增強作用減弱，環(huán)氧樹脂基體承擔(dān)更多的壓縮載荷而被壓縮、破壞。在不同壓縮階段，壓縮載荷對復(fù)合材料中相互接觸的碳纖維、相鄰碳纖維之間的距離的影響也不相同。因此，［0/90/±45］7，［±45］7復(fù)合材料電阻變化表現(xiàn)出與［0/90］7復(fù)合材料不同的趨勢。在壓縮試驗結(jié)束時，［0/90/±45］7，［±45］7復(fù)合材料電阻是變小的。

2.2 壓縮載荷對復(fù)合材料聲發(fā)射能量的影響

圖4為在壓縮試驗中不同規(guī)格的復(fù)合材料壓縮應(yīng)變-聲發(fā)射能量關(guān)系圖。

圖4 復(fù)合材料壓縮應(yīng)變-聲發(fā)射能量關(guān)系圖Fig.4 Compress strain-AE energy of composites

圖4中顯示，在整個壓縮過程中，各種規(guī)格的復(fù)合材料聲發(fā)射能量開始時基本不變，隨后逐漸增加。在復(fù)合材料被壓斷時，聲發(fā)射能量突變性增加，瞬間達到最大值。復(fù)合材料產(chǎn)生壓縮損傷時，聲發(fā)射能量增速明顯變大，表明復(fù)合材料壓縮損傷的出現(xiàn)與聲發(fā)射能量增加情況相對應(yīng)。當(dāng)［0/90］7，［0/90/±45］7，［±45］7被壓斷時，其聲發(fā)射能量分別為23.26J，19.86J，15.14J。

在壓縮的初始階段，聲發(fā)射能量較小，表明復(fù)合材料內(nèi)部沒有產(chǎn)生較大損傷。這是由于壓縮載荷較小，復(fù)合材料發(fā)生普彈壓縮形變，內(nèi)部存在的微小缺陷，例如氣泡、雜質(zhì)、基體微小裂紋等，在壓力作用下會進一步擴展，但在復(fù)合材料內(nèi)部并沒有發(fā)生明顯的分層、碳纖維斷裂，聲發(fā)射能量很小而且增幅也很小，表明復(fù)合材料內(nèi)部沒有發(fā)生較大損傷。隨著壓縮應(yīng)力的增加，環(huán)氧樹脂會發(fā)生不可逆的強迫高彈壓縮形變，當(dāng)強迫高彈壓縮形變足夠大時，在環(huán)氧樹脂中會產(chǎn)生裂紋，聲發(fā)射能量逐漸增大，但聲發(fā)射能量仍然不大，表明復(fù)合材料內(nèi)部沒有發(fā)生較嚴重的損傷。在壓縮的結(jié)束階段，聲發(fā)射能量出現(xiàn)突變性增加，表明復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生了嚴重損傷。這是由于在這一階段，復(fù)合材料中的碳纖維發(fā)生明顯的分層、斷裂等損傷，所以聲發(fā)射能量增加較迅速。當(dāng)最后復(fù)合材料被壓斷時，聲發(fā)射能量瞬時達到最大值，表明復(fù)合材料內(nèi)部已完全破壞。

由圖4 可知，［0/90］7，［0/90/±45］7，［±45］7三種規(guī)格的復(fù)合材料中，復(fù)合材料聲發(fā)射能量依次減小主要與復(fù)合材料中的平行于壓縮應(yīng)力方向的碳纖維的含量有關(guān)。平行于壓縮應(yīng)力方向的碳纖維的含量越多，復(fù)合材料壓斷時產(chǎn)生的聲發(fā)射能量就越大。

2.3 復(fù)合材料壓縮損傷電阻法診斷依據(jù)

綜合以上分析，在壓縮試驗中，復(fù)合材料電阻及聲發(fā)射能量變化都與復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。但是，復(fù)合材料的壓縮破壞很難根據(jù)基體材料及增強材料力學(xué)性能（比如，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系）復(fù)合規(guī)律預(yù)測出來。因此，單純利用復(fù)合材料電阻變化或聲發(fā)射能量變化來診斷復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化或壓縮損傷都不準(zhǔn)確。只有綜合分析電阻及聲發(fā)射能量都發(fā)生變化或突變時，才能確定復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否發(fā)生變化或存在損傷。

根據(jù)圖2和圖4試驗結(jié)果，綜合分析復(fù)合材料應(yīng)變、聲發(fā)射能量、電阻變化率，可得出電阻法診斷復(fù)合材料壓縮損傷診斷的電阻變化率的依據(jù)如表2所示。

表2 復(fù)合材料壓縮損傷的臨界電阻變化率（%）Table 2 Critical resistance change rate of composites with compress damage（%）

3 結(jié)論

（1）當(dāng)受到壓縮載荷作用時，碳布/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料中的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)會發(fā)生變化，從而引起復(fù)合材料電阻的變化。同時，復(fù)合材料的聲發(fā)射能量也會增加。綜合分析復(fù)合材料電阻及聲發(fā)射能量變化情況，可診斷復(fù)合材料的壓縮損傷。

（2）當(dāng)［0/90］7，［0/90/±45］7，［±45］7復(fù)合材料的電阻變化幅度分別超過3.6%，-4.97%，-15.89%，則可診斷復(fù)合材料中存在輕微的壓縮損傷;當(dāng)電阻變化幅度分別超過10.2%，-11.77%，-19.56%時，則可診斷復(fù)合材料中存在較嚴重的壓縮損傷。

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