碳粉摻量對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碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）筋力阻效應(yīng)的影響，制作了碳粉摻量（質(zhì)量分數(shù)）分別為0%，2%，4%，6%，8%的5組碳粉改性CFRP筋材，通過軸向拉伸試驗研究其電阻應(yīng)變行為。結(jié)果表明：碳粉會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：TU599 文獻標志碼：A

摘要：為研究不同碳粉摻量改性基體對碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）筋力阻效應(yīng)的影響，制作了碳粉摻量（質(zhì)量分數(shù)）分別為0%，2%，4%，6%，8%的5組碳粉改性CFRP筋材，通過軸向拉伸試驗研究其電阻應(yīng)變行為。結(jié)果表明：碳粉會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：TU599 文獻標志碼：A

1.2 加載設(shè)備

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

1.3 試件制備

本次試驗共制作了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，編號分別記為1#，2#，3#，通過拉伸試驗研究碳粉摻量對碳粉改性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，進液端通過導管連接基體漏斗1，出液端接廣口瓶3作保護裝置，保護裝置3連接真空泵4作動力裝置。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觀察并控制試驗進程。

（4）若基體進入廣口瓶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，對筋材進行養(yǎng)護，脫模。

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

1.4 試驗方法

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考察其伏安特性。

對碳粉改性CFRP筋進行軸向拉伸試驗，研究碳粉摻量對其力阻效應(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)變由加載機量程50 mm的引伸計獲取。試驗采用兩電極法測量試樣電阻，通1 mA恒定電流，用數(shù)字萬用表采集電極間的電壓信號，拉伸試驗見圖3。

2 試驗結(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[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)量分數(shù)）已經(jīng)達到60%，遠高于滲流閾值，筋材內(nèi)部已經(jīng)形成穩(wěn)定的導電通道，因而向基體添加碳粉時電阻只會小幅降低。

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，脫模時對筋材的損傷較小，筋材的質(zhì)量優(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者，自然微彎曲狀態(tài)的碳纖維在拉力作用下變順直，同時碳纖維受力發(fā)生變形，導致碳粉改性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。該階段應(yīng)力相對較大，碳纖維繼續(xù)發(fā)生幾何變形，少量碳纖維會被逐根、逐束拉斷，引起電阻的波動，但是筋材中仍存在大量穩(wěn)定通路，導致碳粉改性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)變在3%～5%范圍內(nèi)，最大電阻變化率為35%～60%，與文獻[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)的一個重要指標，用來表示單位應(yīng)變引起的電阻變化率，其計算公式為

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筋中導電通道較為穩(wěn)定，向基體添加碳粉時，不同應(yīng)力水平下碳粉對改性CFRP筋電阻率變化貢獻較小，即對靈敏度值影響較小。

（3）當碳粉摻量為6%時，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)變增大后電阻變化率隨應(yīng)變的變化速度有所降低，并且曲線出現(xiàn)波動；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，但碳粉摻量對碳纖維筋材的靈敏度值影響較小。

參考文獻：

References：

[1] PENG Q，LI Y，HE X，et al.Interfacial Enhancement of Carbon Fiber Composites by Poly （Amido Amine） Functionalization[J].Composites Science and Technology，2013，74：3742.

[2]ARAI M，MATSUSHITA K，HIROTA S.Criterion for Inter Laminar Strength of CFRP Laminates Toughened with Carbon Nano Fiber Interlayer[J].Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2011，42（7）：703711.

[3]劉榮桂，李成績，龔向華，等.碳纖維斜拉索的動力參數(shù)特性分析[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2008，40（8）：12841288.

LIU Ronggui，LI Chengji，GONG Xianghua，et al.Analysis of Dynamic Properties for CFRP Stayed Cables[J].Journal of Harbin Institute of Technology，2008，40（8）：12841288.

[4]KWON D J，WANG Z J，CHOI J Y，et al.Interfacial Evaluation of Carbon Fiber/Epoxy Composites Using Electrical Resistance Measurements at Room and a Cryogenic Temperature[J].Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2015，72：160166.

[5]劉榮桂，郭 青，陳 蓓，等.幾何非線性效應(yīng)下的CFRP索斜拉橋動力特性[J].長安大學學報：自然科學版，2014，34（2）：5964.

LIU Ronggui，GUO Qing，CHEN Bei，et al.CFRP Cablestayed Bridges Dynamic Properties with Geometric Nonlinear Effect Considered[J].Journal of Changan University：Natural Science Edition，2014，34（2）：5964.

[6]AWAL A，CESCUTTI G，GHOSH S B，et al.Interfacial Studies of Natural Fibre/Polypropylene Composites Using Single Fibre Fragmentation Test （SFFT）[J].Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2011，42（1）：5056.

[7]FRISCH M.Conceptual Problems in Classical Electrodynamics：No More Toils and Trouble？[J].Studies in History and Philosophy of Modern Physics，2013，44（4）：527531.

[8]GRADOCAFFARO M A，GRADOCAFFARO M.Analytical Determination of the Fermi Velocity in Multiwalled Carbon Nanotubes[J].Physics Letters A，2008，372（45）：67706772.

[9]LIU L，MA P C，XU M，et al.Strainsensitive Raman Spectroscopy and Electrical Resistance of Carbon Nanotubecoated Glass Fibre Sensors[J].Composites Science and Technology，2012，72（13）：15481555.

[10]BAKIS C E，NANNI A，TEROSKY J A，et al.Selfmonitoring，Pseudoductile，Hybrid FRP Reinforcement Rods for Concrete Applications[J].Composites Science and Technology，2001，61（6）：815823.

[11]VAVOULIOTIS A，PAIPETIS A，KOSTOPOULOS V.On the Fatigue Life Prediction of CFRP Laminates Using the Electrical Resistance Change Method[J].Composites Science and Technology，2011，71（5）：630642.

[12]WANG S K， KOWALIK D P， CHUNG D D L.Selfsensing Attained in Carbon Fiber Polymermatrix Structural Composites by Using the Interlaminar Interface as a Sensor[J].Smart Materials and Structures，2004，13（3）：570592.

[13]YANG C Q， WU Z S.Selfstructural Health Monitoring Function of RC Structures with HCFRP Sensors[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2006，17（10）：895906.

[14]歐進萍，王 勃，張新越，等.混凝土結(jié)構(gòu)用 CFRP 筋的感知性能試驗研究[J].復(fù)合材料學報，2004，20（6）：4751.

OU Jinping，WANG Bo，ZHANG Xinyue，et al.Experimental Study on Selfsensing Properties of CFRP Bars for Concrete Structures[J].Acta Materiae Compositae Sinica，2004，20（6）：4751.

[15]王 勃，歐進萍，張新越，等.CFRP筋及其加筋混凝土梁感知性能試驗與分析[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2007，39（2）：220224.

WANG Bo，OU Jinping，ZHANG Xinyue，et al.Experimental Research on Sensing Properties of CFRP Bar and Concrete Beams Reinforced with CFRP Beas[J].Journal of Harbin Institute of Technology，2007，39（2）：220224.

[16]樂正想，梅啟林，黃志雄.納米碳纖維復(fù)合材料的電阻應(yīng)變傳感性能研究[J].功能材料，2007，38（增）：576577.

YUE Zhengxiang，MEI Qilin，HUANG Zhixiong.Study on Carbon Nanofibers Composite Materials Resistancestrain Sensor Property[J].Journal of Functional Materials，2007，38（S）：576577.

[17]季小勇.納米炭黑環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料應(yīng)變和裂縫感知特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2009.

JI Xiaoyong.Epoxy Matrix Composites Filled with Nanocarbon Black and Their Strain and Crack Monitoring[D].Harbin：Harbin Institute of Technology，2009.