碳纖維水泥基復(fù)合材料的壓敏性及其機(jī)理研究

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(山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

引言

碳纖維水泥基材料是在水泥基材料中加入導(dǎo)電性能良好的短切碳纖維，并利用其高強(qiáng)度、高彈模的特點(diǎn)，促使水泥基材料在強(qiáng)度、韌性提升的同時，更兼具壓敏特性。由于碳纖維對水的濕潤性要求較高，且在水泥漿中的穩(wěn)定性良好，可使其與水泥基中的材料保持較好的貼合度，水泥的水化產(chǎn)物可完成對碳纖維的包裹，有效地增強(qiáng)了水泥材料的力學(xué)性能。碳纖維的加入可以有效提升材料的劈裂抗拉強(qiáng)度、抗疲勞性能以及變形性能，而材料特有的壓敏性可制作成嵌入式傳感器，相容性較好的特點(diǎn)及較低的制造成本都可促使其實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用，并可以克服傳統(tǒng)材料耐久性、穩(wěn)定性較差的缺點(diǎn)[1]。碳纖維水泥基復(fù)合材料可制備成用于應(yīng)力、應(yīng)變及損傷監(jiān)測的傳感器，但混合材料的特殊性及養(yǎng)護(hù)過程中的隨機(jī)性都容易造成材料的壓敏特性呈現(xiàn)出非線性狀態(tài)，這些都會制約材料在工程中的應(yīng)用。

本文分析了目前國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于碳纖維水泥基材料壓敏性的研究成果[2]，并在此基礎(chǔ)上研究了碳纖維水泥基復(fù)合材料在持續(xù)加載與循環(huán)加載過程中的壓敏性，探討了材料含水率、碳纖維處理方式對壓敏性的影響，并分析了材料壓敏性的變化機(jī)理，為材料應(yīng)用于實(shí)時動態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域提供了理論依據(jù)。

1 持續(xù)加載與循環(huán)加載對復(fù)合材料壓敏性的影響

1.1 復(fù)合材料持續(xù)加載破壞的壓敏性

對于碳纖維水泥基材料壓敏性測試，加載過程存在兩種方式，一種是一次性加載直至破壞，另一種是在材料彈性范圍內(nèi)進(jìn)行循環(huán)加載，兩種加載方式對壓敏性有很大的影響。韓寶國等[3]研究了短切碳纖維長度對材料導(dǎo)電性的影響，表明碳纖維的長度越長、摻量越大、分散性越好，則材料的導(dǎo)電性能越好；在一次性加載試驗(yàn)中，碳纖維摻量為0.18%～0.5%的水泥基材料電阻率變化趨于線性降低，且變化范圍在17%～35%區(qū)間；隨纖維摻量的減少，電阻率變化率逐漸增大，且處于滲流區(qū)的變化較大。

1.2 復(fù)合材料循環(huán)加載的壓敏性

對于循環(huán)加載過程，電阻率變化與循環(huán)加載之間存在明顯的對應(yīng)關(guān)系。加載時電阻率持續(xù)減小，加載達(dá)到峰值時，電阻率降到最低；而卸載時情況則恰好相反，隨著卸載的進(jìn)行，電阻率持續(xù)回升至初始值。從單向受壓和三向受壓兩種模式進(jìn)行討論，可以發(fā)現(xiàn)在三向受壓狀態(tài)下，電阻率變化率的變化規(guī)律更為穩(wěn)定；當(dāng)加載幅度相同時，三向受壓作用下，材料的電阻率變化幅度比單向受壓時更大，表現(xiàn)出的變化也更加明顯[4]。

2 材料性能對壓敏性的影響

2.1 復(fù)合材料含水率對壓敏性的影響

碳纖維水泥基材料在加載過程中的變化與加載方式有直接的關(guān)系，而材料性質(zhì)對試樣的力學(xué)性能和電學(xué)性能也有很大的影響，其中含水率對試樣導(dǎo)電性影響尤為嚴(yán)重。王玉林等[5]研究了材料多次烘干后的壓敏性，當(dāng)材料中的水分逐漸減少時，壓敏性變化明顯，且存在“正壓敏性”和“負(fù)壓敏性”相互轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象。當(dāng)試樣含水率較高時，表現(xiàn)為“正壓敏性”；少量失水時，呈現(xiàn)出“負(fù)壓敏性”；持續(xù)失水導(dǎo)致試樣含水率很低達(dá)到烘干狀態(tài)時，轉(zhuǎn)而表現(xiàn)為“正壓敏性”；在一定含水率時，試樣可能會呈現(xiàn)出“正壓敏性”與“負(fù)壓敏性”共存的狀態(tài)。

2.2 碳纖維表面處理對壓敏性的影響

碳纖維與水泥材料表面之間的作用，不是簡單的二維邊界，還包括界面間的過渡區(qū)和不同的層次，所以界面結(jié)構(gòu)及邊界效應(yīng)直接影響著材料的最終性能。對碳纖維進(jìn)行表面處理，可以有效改善碳纖維與水泥基材料的粘結(jié)性。目前，碳纖維表面處理方法分為表面化學(xué)反應(yīng)以及表面涂覆兩大類，表面化學(xué)反應(yīng)中的氧化法分為液相和催化兩種，非氧化法分為晶須法和聚合物接枝法等。王大鵬等[6]使用氣液雙效法對碳纖維進(jìn)行表面處理，提升了碳纖維的抗拉強(qiáng)度，改善了碳纖維在水泥基材料中的分散性，促使材料層間剪切強(qiáng)度增加，使復(fù)合材料壓敏性變得更為穩(wěn)定。

3 復(fù)合材料壓敏性的變化機(jī)理

3.1 復(fù)合材料的界面效應(yīng)

對于復(fù)合材料壓敏性的機(jī)理解釋，多位學(xué)者提出了很多理論，其中包括材料在壓縮和拉伸過程中碳纖維的拉拔模型、壓縮過程中產(chǎn)生的隧道導(dǎo)電效應(yīng)及電導(dǎo)滲流現(xiàn)象等，這些都有效解釋了壓敏性的變化機(jī)理。李卓球等[7]研究了基于界面效應(yīng)的壓敏性變化機(jī)理，通過研究復(fù)合材料在拉拔過程中的壓敏性，討論了剪滯理論在其中的應(yīng)用，推導(dǎo)出了界面處軸向正應(yīng)變的計(jì)算公式。研究發(fā)現(xiàn)，碳纖維在拉拔過程中界面電阻的變化是電阻率發(fā)生變化的主要原因，而界面應(yīng)變的增大會導(dǎo)致試樣電阻的增加。

3.2 復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)研究

對材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，有益于直觀分析碳纖維在不同條件下的分布以及微觀孔隙狀態(tài)。黃世峰等[8]采用壓力成型法制備碳纖維水泥基材料，發(fā)現(xiàn)10 MPa成型壓力制備的試樣較2 MPa成型試樣的孔隙率明顯變小。分析孔隙分布發(fā)現(xiàn)，2 MPa制備的試樣>0.8 μm的孔徑會增多，10 MPa制備的試樣>0.2 μm的孔徑會增多。2 MPa成型壓力制備的試樣與10 MPa試樣的溫敏性也存在一定的差異，其中2 MPa成型試樣臨界溫度范圍為75～100 ℃，10 MPa成型則為100～120 ℃。

4 結(jié)論

碳纖維水泥基材料具有高強(qiáng)度、高彈模的特點(diǎn)，同時其特有的壓敏性可制作成嵌入式傳感器。碳纖維與水泥基材料的相容性較好及較低的制造成本，可促使材料得到廣泛的應(yīng)用，且克服了傳統(tǒng)材料耐久性、穩(wěn)定性較差的缺點(diǎn)。通過對碳纖維水泥基復(fù)合材料在持續(xù)加載以及循環(huán)加載兩種加載方式時壓敏性的研究，探討了材料含水率對壓敏性的影響以及氣液雙效法處理碳纖維對材料的改善效果，從界面效應(yīng)及微觀結(jié)構(gòu)分析了材料壓敏性變化的機(jī)理，為材料的廣泛應(yīng)用提供了理論依據(jù)。