碳粉摻量對(duì)碳纖維筋材力阻效應(yīng)的影響

劉榮桂++許兆輝++黃俊捷++丁勇++梁戈

摘要：為研究不同碳粉摻量改性基體對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）筋力阻效應(yīng)的影響，制作了碳粉摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為0%，2%，4%，6%，8%的5組碳粉改性CFRP筋材，通過軸向拉伸試驗(yàn)研究其電阻應(yīng)變行為。結(jié)果表明：碳粉會(huì)降低碳纖維筋材的電阻，碳粉改性CFRP筋材在低應(yīng)力水平階段的電阻變化率應(yīng)變關(guān)系線性較好，線性判定系數(shù)在0.92以上，靈敏度值在20～30之間；極限應(yīng)變?yōu)?%～5%，最大電阻變化率為35%～60%；在低應(yīng)力水平階段，碳粉摻量對(duì)靈敏度值影響較小。

關(guān)鍵詞：CFRP；碳粉；力阻效應(yīng)；電阻；靈敏度

中圖分類號(hào)：TU599 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

摘要：為研究不同碳粉摻量改性基體對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）筋力阻效應(yīng)的影響，制作了碳粉摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為0%，2%，4%，6%，8%的5組碳粉改性CFRP筋材，通過軸向拉伸試驗(yàn)研究其電阻應(yīng)變行為。結(jié)果表明：碳粉會(huì)降低碳纖維筋材的電阻，碳粉改性CFRP筋材在低應(yīng)力水平階段的電阻變化率應(yīng)變關(guān)系線性較好，線性判定系數(shù)在0.92以上，靈敏度值在20～30之間；極限應(yīng)變?yōu)?%～5%，最大電阻變化率為35%～60%；在低應(yīng)力水平階段，碳粉摻量對(duì)靈敏度值影響較小。

關(guān)鍵詞：CFRP；碳粉；力阻效應(yīng)；電阻；靈敏度

中圖分類號(hào)：TU599 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1.2 加載設(shè)備

加載設(shè)備采用吉林長春機(jī)械科學(xué)研究院有限公司生產(chǎn)的DNS100電子萬能試驗(yàn)加載機(jī)。電阻測(cè)量選用VICTOR VC890C+型數(shù)字萬用表。

1.3 試件制備

本次試驗(yàn)共制作了5組碳粉摻量改性樹脂基體的CFRP筋，摻量α分別為0%，2%，4%，6%，8%，筋材規(guī)格為480 mm×10 mm×10 mm，每組3根，編號(hào)分別記為1#，2#，3#，通過拉伸試驗(yàn)研究碳粉摻量對(duì)碳粉改性CFRP筋力阻效應(yīng)的影響。制備筋材的裝置見圖1，鋼模具2兩端接入橡膠塞，進(jìn)液端通過導(dǎo)管連接基體漏斗1，出液端接廣口瓶3作保護(hù)裝置，保護(hù)裝置3連接真空泵4作動(dòng)力裝置。制作過程為：

（1）將適量的碳纖維絲順直平鋪在鋼模具2內(nèi)，在鋼模具2上方放置封裝鋼條。

（2）向基體漏斗1內(nèi)添加不同碳粉摻量的改性基體。

（3）打開真空泵4抽真空，通過廣口瓶3觀察并控制試驗(yàn)進(jìn)程。

（4）若基體進(jìn)入廣口瓶3中，表明基體已浸潤碳纖維絲。

（5）關(guān)閉真空泵4，取出鋼模具2，對(duì)筋材進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，脫模。

碳粉改性CFRP筋制備完成后，測(cè)量其電阻需要設(shè)置電極，以增強(qiáng)測(cè)試穩(wěn)定性。電極引線選用多股銅導(dǎo)線，CFRP筋橫截面先用導(dǎo)電銀膠粘貼0.02 mm厚的銅箔，銅箔和銅導(dǎo)線用焊錫焊接，保證整個(gè)截面的碳纖維絲與銅導(dǎo)線形成通路。電阻測(cè)試示意見圖2。

1.4 試驗(yàn)方法

碳粉改性CFRP筋制作完成后，分別通2，4，6，8，10 mA的電流，采集筋材的電壓信號(hào)考察其伏安特性。

對(duì)碳粉改性CFRP筋進(jìn)行軸向拉伸試驗(yàn)，研究碳粉摻量對(duì)其力阻效應(yīng)的影響。軸向拉伸采用位移控制，加載速度為1 mm·min-1。試件的應(yīng)變由加載機(jī)量程50 mm的引伸計(jì)獲取。試驗(yàn)采用兩電極法測(cè)量試樣電阻，通1 mA恒定電流，用數(shù)字萬用表采集電極間的電壓信號(hào)，拉伸試驗(yàn)見圖3。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 初始電阻

5組試件的初始電阻R及電阻均值見圖4，結(jié)果表明：碳粉改性CFRP筋的電阻隨碳粉摻量的增長有所下降，但幅度較小，未表現(xiàn)出文獻(xiàn)[16]，[17]的滲流特性。這是由于樹脂基碳粉復(fù)合材料滲流閾值在8%左右，而碳纖維筋材中的連續(xù)碳纖維絲含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）已經(jīng)達(dá)到60%，遠(yuǎn)高于滲流閾值，筋材內(nèi)部已經(jīng)形成穩(wěn)定的導(dǎo)電通道，因而向基體添加碳粉時(shí)電阻只會(huì)小幅降低。

圖4中6%碳粉摻量的筋材電阻較8%碳粉摻量的筋材電阻反而偏低，可能是由于制備該批筋材的內(nèi)部氣泡等缺陷較少，脫模時(shí)對(duì)筋材的損傷較小，筋材的質(zhì)量?jī)?yōu)于其他幾組試件。

2.2 伏安特性

圖5為碳纖維筋材典型試件的伏安特性曲線，結(jié)果表明，電壓電流關(guān)系的線性度較好，CFRP筋材符合歐姆定律。

2.3 電阻變化率應(yīng)變關(guān)系

圖6為碳粉摻量分別為0%，2%，4%，6%，8%的碳粉改性CFRP筋的電阻變化率應(yīng)變曲線，由于試件浸膠的均勻性、飽滿性存在差異，試驗(yàn)結(jié)果中極限應(yīng)變和電阻變化率應(yīng)變曲線表現(xiàn)出一些離散性，但整體變化規(guī)律仍具有較好的一致性。

試驗(yàn)結(jié)果表明，碳粉改性CFRP筋的電阻隨應(yīng)變的變化存在3個(gè)階段：

（1）開始階段，電阻變化率隨應(yīng)變的變化較快，且線性較好。該階段處于低應(yīng)力水平，軸向碳纖維是荷載的主要承擔(dān)者，自然微彎曲狀態(tài)的碳纖維在拉力作用下變順直，同時(shí)碳纖維受力發(fā)生變形，導(dǎo)致碳粉改性CFRP筋的電阻變化率較高。

（2）應(yīng)變超過1.5%后，隨著應(yīng)變的增大，電阻變化率的增長速度有所降低，且曲線出現(xiàn)波動(dòng)。該階段應(yīng)力相對(duì)較大，碳纖維繼續(xù)發(fā)生幾何變形，少量碳纖維會(huì)被逐根、逐束拉斷，引起電阻的波動(dòng)，但是筋材中仍存在大量穩(wěn)定通路，導(dǎo)致碳粉改性CFRP筋電阻變化率隨應(yīng)變的變化較前階段有所降低。

（3）最后階段，應(yīng)變超過2.7%后，電阻變化率隨應(yīng)變快速增長直至筋材破壞，極限應(yīng)變?cè)?%～5%范圍內(nèi)，最大電阻變化率為35%～60%，與文獻(xiàn)[14]，[15]的結(jié)果接近（電阻變化率范圍為30%～45%）。該階段處于高應(yīng)力水平，大量碳纖維被拉斷，環(huán)氧樹脂基體無法承受原本由碳纖維承受的荷載，基體即刻斷裂，穩(wěn)定的導(dǎo)電通路破壞，電阻變化率隨應(yīng)變快速增長。

2.4 靈敏度

力阻效應(yīng)的靈敏度K是傳感元件研發(fā)的一個(gè)重要指標(biāo)，用來表示單位應(yīng)變引起的電阻變化率，其計(jì)算公式為

K=dR/Rε

（1）

式中：ε為應(yīng)變；dR為電阻變化量。

可見，靈敏度K受到電阻變化量、初始電阻和應(yīng)變因素影響。為研究碳粉改性CFRP筋的靈敏度，定量分析了不同碳粉摻量的CFRP筋在低應(yīng)力階段的電阻變化率應(yīng)變關(guān)系，如圖7所示。其靈敏度計(jì)算結(jié)果見圖8。

由圖7，8可知：

（1）碳粉改性CFRP筋的電阻變化率應(yīng)變關(guān)系線性度較好，線性判定系數(shù)普遍高于0.92，且試件結(jié)果的可重復(fù)性較好。

（2）碳粉改性CFRP筋的靈敏度值范圍在20～30之間，摻入碳粉CFRP筋的靈敏度值會(huì)略有增加，但影響較小。其原因與圖4的初始電阻受碳粉摻量影響原因一致，CFRP筋中導(dǎo)電通道較為穩(wěn)定，向基體添加碳粉時(shí)，不同應(yīng)力水平下碳粉對(duì)改性CFRP筋電阻率變化貢獻(xiàn)較小，即對(duì)靈敏度值影響較小。

（3）當(dāng)碳粉摻量為6%時(shí)，碳粉改性CFRP筋的靈敏度值最大為29.4，明顯高于其他組試件的試驗(yàn)結(jié)果，與圖4中的初始電阻規(guī)律相一致，該組筋材的質(zhì)量相對(duì)較好。

3 結(jié) 語

（1）碳粉改性CFRP筋的初始電阻隨碳粉摻量的增長有所下降，但幅度較小。

（2）碳粉改性CFRP筋的電阻變化率隨應(yīng)變變化存在3個(gè)階段：低應(yīng)力水平階段電阻變化率隨應(yīng)變的變化較快，且線性較好；應(yīng)變?cè)龃蠛箅娮枳兓孰S應(yīng)變的變化速度有所降低，并且曲線出現(xiàn)波動(dòng)；高應(yīng)力水平階段電阻變化率隨應(yīng)變快速增長，極限應(yīng)變?yōu)?%～5%，最大電阻變化率為35%～60%。

（3）低應(yīng)力水平階段碳粉改性CFRP筋的電阻變化率應(yīng)變關(guān)系線性較好，線性判定系數(shù)在0.92以上，靈敏度值在20～30之間，但碳粉摻量對(duì)碳纖維筋材的靈敏度值影響較小。

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