碳纤维/水泥基复合材料微观结构及机敏特性

以普通硅酸盐水泥为基体材料, 以碳纤维为功能组分, 采用压力成型法制备了碳纤维增强水泥基复合材料(CFRC) 。用SEM 和孔结构分析仪对复合材料的微观结构进行了分析, 同时研究了其机敏特性。结果表明:较大成型压力制备的复合材料孔隙率明显低于较小成型压力制备的复合材料。不同成型压力制备的复合材料电阻率均随温度升高而呈先增大后减小的趋势。较小成型压力制备的CFRC , 其临界温度为75～100 ℃; 较大成型压力制备的CFRC , 其临界温度为100～120 ℃。循环载荷下, 碳纤维水泥基复合材料电阻的相对变化与载荷之间呈现明显的一一对应关系, 较大成型压力制备的CFRC 在每个循环过程中电阻相对变化的幅度明显大于较小成型压力制备的CFRC , 更适合应用于结构的实时、动态的健康监测和损伤评估。      

碳纤维织物增强水泥基复合材料拉拔过程力阻响应和等效分层破坏模型

碳纤维织物增强水泥基复合材料(CFRCM)被广泛研究并应用于混凝土结构加固和性能自监测,但目前碳纤维的力阻响应机制尚不明确。本文通过CFRCM纤维束的拉拔试验发现其荷载-位移曲线符合典型的粘结滑移三阶段特征,拉拔过程中的电阻变化也呈现出波动缓慢上升-快速增长-缓慢增长的三阶段特征,碳纤维束脱粘阶段的电阻增长率与极限拉拔力呈现中高度的正相关性。进一步基于拉拔过程碳纤维束的力阻响应建立了纤维等效分层破坏模型及计算方法,为电阻信息与受荷状态的相互转化提供了新思路。     

树脂基搭接碳纤维智能层的力阻特性

提出一种具有局部搭接结构的树脂基碳纤维智能层, 将其敷设于结构表面以检测结构受载时的变形, 实现对结构大范围监测。基于该智能层, 采用单轴拉伸和三点弯曲的加载方式, 对构件进行应变和位移检测。实验发现, 碳纤维局部搭接结构是引起力阻效应的主要因素, 其单位应变的电阻率变化的灵敏度达到104, 相当于非搭接连续碳纤维复合材料力阻效应灵敏度的34倍。实验结果还进一步表明, 树脂基搭接碳纤维智能层力阻曲线光滑稳定, 其传感极限约为8500 με。建立了树脂基搭接碳纤维复合材料的电学模型, 揭示了这种力阻效应主要来源于搭接界面处层间电阻的变化, 并从纤维轴向力、搭接面积和层间剪应变三个方面解释了这种层间电阻变化的机制。      

反复荷载作用下碳纤维复合材料力电性能试验研究

碳纤维及其复合材料已广泛应用于土木工程领域,本文针对手工浸渍的环氧树脂基碳纤维布复合材料在反复荷载作用下的力电性能进行了系统的试验研究和分析.研究表明,在反复荷载作用下该类型复合材料的电阻变化率与应变关系曲线表现出与单调荷载作用下不同的新的特征.本文通过对试验结果的分析,进一步验证和深化了对碳纤维复合材料导电机理的认识,为进一步研究土木工程中环氧树脂基碳纤维复合材料的力电性能以及发展可实际应用的地震损伤自监测智能结构奠定了基础.     

玻璃与碳纤维混杂增强复合材料3D打印与实验

本研究基于热塑性材料熔融沉积成型工艺,研制了双喷头连续玻璃纤维与碳纤维混杂增强热塑性复合材料结构增材制造平台,制备了不同混杂比的纤维增强热塑性复合材料结构试件,分析了不同结构试件的弯曲力学性能与失效模式,探索了嵌入碳纤维智能层的混杂纤维增强热塑性复合材料的力阻行为。结果表明：比较纯热塑性材料结构件,玻璃纤维增强复合材料结构件弯曲强度提高了115.99%,碳纤维增强复合材料结构件弯曲强度提高了198.76%;玻璃纤维与碳纤维混杂增强复合材料结构件具有负弯曲强度混杂效应和正弯曲模量混杂效应。可根据碳纤维电阻相对变化率对混杂增强复合材料结构的应变与断裂破坏状态进行实时自感知。研究结果为连续玻璃纤维与碳纤维混杂增强热塑性复合材料结构件的高质高效制造与智能化提供了新工艺与新思路。     

碳纤维毡/环氧树脂复合材料的力阻效应

以短切碳纤维毡和环氧树脂为原材料制成复合材料,考察了该材料在单向拉伸载荷下的力阻响应。实验结果表明,该材料具有正力阻效应(拉应变引起材料的电阻增大)。其中,单层碳纤维毡/环氧树脂复合材料的力阻灵敏度可达13.9,但在加载过程中其电阻表现出逐渐衰减趋势;多层碳纤维毡/环氧树脂复合材料的力阻性能更为稳定,但随着层数的增加灵敏度逐渐降低,5层复合材料的力阻灵敏度下降到5.7。多层复合材料的立体导电网络是其稳定性提升和灵敏度下降的主要原因。将碳纤维毡/环氧树脂多层复合材料敷设在梁结构表面形成智能表层,利用其力阻性能实现了梁结构在循环载荷下的变形监测以及在单调载荷作用下损伤监测。     

基于电阻信号的CFRP纤维断裂识别实验及理论模型

碳纤维是决定CFRP复合材料性能的主要因素之一,因此为保证复合材料结构的健康状态、识别纤维的损伤与断裂就显得至为关键。文中通过加载电流并采集电阻信号的方式来识别CFRP复合材料中碳纤维的健康状态,通过实验和理论分析的方法进行了深入研究。实验针对2种不同铺层的试件进行测量:单向层合板[0]8和正交层合板[0/90]4。对试件端部进行了粘接铜箔处理以使试件稳定导电,使用KEITULEY2700数据采集仪测量试件电阻。实验内容包括静态电阻测量、拉伸受力状态下材料的电阻特性分析,并建立和推导了电阻-应变理论分析模型,进行了通电疲劳实验。研究结果表明,碳纤维的铺层角度对CFRP结构电阻有较大影响,[0]8铺层材料电导率和破坏强度约为[0/90]4铺层材料的2倍;CFRP材料受外载荷作用时,损伤程度与其电阻变化有对应的关系,其电阻信号变化可以作为反映材料损伤情况和识别纤维断裂的主要参数;实验结果与所建立的电阻-应变模型拟合结果吻合较好。文中研究的CFRP纤维断裂识别和航空复合材料结构健康监控及实时监测具有重要的意义。     

内埋FBG传感器复合材料加筋板的固化过程及准静态压缩监测

将布拉格光纤光栅(fiber Bragg grating,FBG)传感器埋植在纤维增强树脂基复合材料加筋板结构的三角填充区,在线监测复合材料T型加筋板的固化过程与准静态压缩过程.结果表明,埋植FBG传感器的加筋板和未埋值FBG传感器的加筋板,其压缩破坏载荷基本相当.同时,内埋于复合材料加筋板三角填充区的FBG传感器可以有效监测复合材料加筋板固化过程的应变变化,固化后亦可用于实时监测结构中产生的温度和应变变化.在准静态压缩过程中,FBG传感器测得的应变值变化曲线与接触力-压头位移曲线变化趋势基本一致.FBG传感器可在不影响结构性能前提下,准确地响应复合材料加筋板在受载条件下出现的分层、开裂等损伤.     

CFRP的剪切力阻效应

自制装置构造构件的平面纯剪切变形,将薄层状的树脂基碳纤维复合材料(CFRP)粘贴在构件的纯剪切区域表面,在弹性范围内分析了CFRP的电阻对平面纯剪切变形的响应。实验结果表明,剪应变导致单向连续碳纤维增强的CFRP的纵向电阻变化不明显,其剪切力阻效应灵敏度约为0.16;碳纤维毡增强的CFRP具有显著的剪切力阻效应,其电阻表现出随剪应变线性的可恢复的增加,其剪切力阻效应灵敏度约为2.58。结合线应变致力阻效应产生机制,并通过CFRP细观结构的分析得出,纤维的随机乱向分布及纤维搭接形态的多样性是碳纤维毡增强的CFRP存在剪切力阻效应的主要原因。     

单向连续碳纤维-玻璃纤维层间混杂增强环氧树脂基复合材料的力学性能

为了研究连续单向纤维的层间混杂方式对复合材料力学性能及破坏方式的影响,采用碳纤维-玻璃纤维体积比为1∶1,以拉-挤成型法制备了具有不同层间混杂结构的连续单向纤维增强环氧树脂基复合材料,并研究了不同层间混杂结构的连续单向碳纤维-玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的力学性能及破坏形式。结果表明：具有层间混杂结构的复合材料抗拉强度处于纯碳纤维/环氧树脂复合材料和纯玻璃纤维/环氧树脂复合材料之间,复合材料的拉伸断裂方式为劈裂;具有层间混杂结构的复合材料的层间剪切强度均优于纯碳纤维/环氧树脂复合材料和纯玻璃纤维/环氧树脂复合材料,复合材料的剪切断裂方式为层间断裂。