碳纤维复合材料单向层合板自传感特性

D0I:10.13374/i.issm1001053x.2002.06.015 第24卷第6期 北京科技大学学报 Vol.24 No.6 2002年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2002 碳纤维复合材料单向层合板自传感特性 骆心怡”王开坤)熊克)朱晓荣》李顺林” 1)南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京2100162)北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 3)南京航空航天大学智能材料结构航空科技重点实验室，南京210016 摘要通过测试碳纤维/环氧复合材料(CRP)单向层合板单轴拉伸和循环拉伸时的电阻变 化，研究了碳纤维复合材料单向层合板自传感特性.结果表明：不同铺层方向CRP单向层合 板拉伸时体积电阻变化特性各不相同，该电阻变化特性比应力、应变能更多地反映有关材料内 部结构变化的信息；CFRP单向层合板具有压阻效应，压阻效应随着应力的增加而增加，偏轴拉 伸、横向拉伸时压阻效应比纵向拉伸时要大，且随铺层方向角的增大，压阻效应越来越明显.利 用CFP单向层合板这种自传感特性，可实现在线实时自监测以及对其损伤、破坏的自诊断. 关键词碳纤维复合材料：压阻效应：偏轴 分类号TB332 碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP)作为 层后在一定工艺条件下复合固化而成，纤维体 一种高性能结构材料广泛地应用于航空航天等 积分数为59.6%.试样尺寸为220mm×15mm×2 领域，但其环境稳定性差，常因环境的劣化发生 mm,试样的铺层方向角0分别为0°，30°，45°，60° 突发性破坏，因而对其进行在线实时自监测尤 和90°.在试样两端电镀铜电极 为重要.80年代以来，人们研究了通过外植入 1,2数据采集与处理系统的设计与建立 传感器（如光纤）实现自监测的方法并取得了很 为了研究CFRP单向层合板拉伸时的传感 大进展，但仍存在一些问题，如光纤传感器不 特性，需要同时测量应力、应变及电阻变化三个 能应用于已生产的结构，大量光纤的埋入可能 物理量.为此设计并建立了一套计算机数据采 引起材料结构性能的降低及埋入的光纤传感器 集与处理系统，图1为其系统方框图 一旦发生故障则无法修复等.利用连续碳纤维 复合材料的电阻变化特性来实现在线实时自监 数据采集软件 测具有全场响应、无强度蜕变、灵敏度高、简便 被测信号输人仪器数据测控板什算机 易行、经久耐用等优点，愈来愈受到研究者的重 视P”,目前已报道的研究仅局限于CFRP单向 显示器 层合板纵向（纤维方向）拉伸时的电阻变化特性， 图1数据采集与处理系统方框图 本文测试了典型CFRP层合板正轴及偏轴单向 Fig.1 Chart of the data collecting and processing system 拉伸、循环拉伸时的电阻变化，研究了其传感特 性，为进一步利用层合理论研究CFRP多向层 13测试过程 合板的传感特性奠定基础 分别进行正轴及偏轴单向拉伸试验、循环 拉伸试验，拉伸速度为l.5mm/min,用计算机实 1实验方法 时采集、处理测试信号，并实现同步监测. 1.1试样制作 CFRP单向层合板是由环氧648/BF,·MEA 2结果与讨论 树脂体系与T300碳纤维制成预浸料，经单向铺 2.1各种铺层方向拉伸时电阻变化特性 (1)纵向拉伸. 收稿日期2001-12-28 骆心怡女，37岁，讲师，博士 *国家自然科学基金重点资助项目No.50135030) 图2为O°CFRP试样纵向拉伸时获得的应

第 2 4 卷 第 6 期 2 0 0 2 年 1 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f Un iv e r s iyt o f s e i e n c e a 皿 d eT e h n o l o yg B e ij i n g V 61 . 2 4 N o . 6 D e e . 2 0 0 2 碳纤维复合材料单 向层合板 自传感特性 骆心 怡 ” 王 开 坤 ” 熊 克 ” 朱晓 荣 ” 李顺 林 ` , l) 南京 航空航天大学材料科学与技术学院 , 南京 21 0 01 6 2 ) 北京科技大学材料科学与工程学院 , 北京 1 0 00 83 3) 南京航空航天大学智能材料结构航空科技重点实验室 , 南京 2 10 01 6 摘 要 通过 测试碳纤维 /环氧 复合材 料 (C FRP )单 向层合板单轴拉 伸和循环拉 伸时 的电 阻变 化 , 研究 了碳纤维 复合材 料单向层合板 自传感 特性 . 结 果表 明 : 不同铺层方 向 C FRP 单 向层 合 板 拉伸 时体积 电阻变化 特性各 不相 同 ,该 电阻变化特 性 比应力 、 应变 能更多地 反映有关材料 内 部 结构 变化 的信息 ; C FRP 单 向层 合板具 有压 阻效应 , 压 阻效应 随着应 力 的增 加而增 加 , 偏 轴拉 伸 、 横 向拉 伸时压 阻效应 比纵向拉伸时要 大 , 且 随铺层方 向角 的增 大 , 压 阻效应越来越 明显 . 利 用 c F即单 向层 合板这种 自传感特性 , 可实现 在线 实时 自监测 以及对其损 伤 、 破坏 的 自诊断 . 关 键词 碳纤维复 合材料 ; 压 阻效应 ; 偏 轴 分 类号 T B 3 3 2 群 碳纤维增强聚合物基复合 材料 (C F ” )作 为 一种高性能结构材料广泛地应用 于航空航天 等 领域 , 但其环境稳定性差 , 常因环境 的劣化发生 突发性破坏 , 因而对其进行 在线实时 自监测尤 为重要 . 80 年 代 以来 , 人们 研究 了通过外植人 传感器 (如光 纤)实现 自监测 的方法并取得 了很 大进展 l[, 2 1 , 但仍存 在一些 问题 , 如光纤传感器不 能应用 于已 生产的结构 , 大量光纤 的埋人 可 能 引起材料结构性能的降低及埋人 的光纤传感器 一旦 发生故障则无法修 复等 . 利用 连续碳纤 维 复合材料 的 电阻变化特性来实现在线实时 自监 测 具 有全场响应 、 无强 度蜕 变 、 灵敏度高 、 简便 易行 、 经久耐用等优点 , 愈来愈受到研究者的重 视 【3一 7] , 目前 已 报道 的研究仅局 限于 C F孙 单 向 层合板纵向(纤维方 向)拉伸时的电阻变化特性 , 本 文测 试 了 典型 C F RP 层 合板正轴及偏轴单 向 拉伸 、 循环拉 伸时的电阻变化 , 研究 了其传感特 性 , 为进一步利用层合 理论研究 C F即 多 向层 合板 的传感 特性奠定基础 . 层后 在一定工艺条件下 复合 固化而成 , 纤 维体 积分数为 59 . 6% . 试样尺 寸 为 2 20 m m 义 巧 ~ 火 2 nu , 试样 的铺层方 向角 0分别为 0 0 , 3 0 0 , 4 5 0 , 6 0 0 和 9 0 . 在试样两端 电镀 铜 电极 . 1 . 2 数据采集 与处理 系统的设计与建立 为 了研究 C FRP 单 向层合板拉伸 时的传感 特性 , 需要 同时测量应力 、 应变及电 阻变化三个 物理 量 . 为 此设计 并建立 了一套计算机 数据采 集与处理 系统 , 图 1 为其系统方框 图 . 被测信号曰输人仪器 图 1 数 据 采集与 处理 系统方 框图 F ig . l C h a r t o f t h e d a t a c o lle c t in g a n d P or e e s s in g s y s t e m 1 实 验方法 L l 试样制 作 C F即 单 向层 合板是 由环氧 6 48 旧 F 3 · M E A 树脂体 系与 3T 0 碳 纤维制成预浸 料 , 经单 向铺 收稿 日期 2 0 01 一 12 一 28 骆心怡 女 , 37 岁 , 讲师 , 博士 * 国家 自然科学基 金重点 资助项 目困 。 万0 1 3 5 0 30) 13 测试过程 分别 进行正轴及偏轴单 向拉伸试验 、 循环 拉伸试 验 , 拉伸 速度 为 1 . s m m m/ in , 用 计算机实 时采集 、 处理测 试信号 , 并实现 同步监测 . 2 结果 与讨论 2 . 1 各种铺层 方 向拉伸时 电阻变化特性 ( l) 纵 向拉伸 . 图 2 为 0 c F RP 试样纵 向拉伸 时获得的 应 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2002. 06. 015

Vol.24 骆心怡等：碳纤维复合材料单向层合板自传感特性 ·639。 0.32 4.5 不随应力、应变的变化而改变.从B到C段，电阻 随应变增加仍然增加，但不再是线性，这是由于 0.16 3.0 这段拉伸中有少量的纤维断裂.当拉伸至C点 纤维束开始断裂，电阻表现为阶梯状突增，而此 28 1.5 时应力只稍有变化.当试样最终突然脆性断裂 时纤维束全部拉断，电阻突增至无穷 (2)偏轴拉伸. 0.00 0 图3是45°试样偏轴拉伸时获得的σ一， △R/R。一e关系曲线.与图2比较可以发现，拉伸 -0.08 1.5 开始后至A点电阻并不出现下降现象，而是随应 0 0.4 0.8 1.2 1.6 E/ 变增加而增加.这是由于压阻效应比较大，超过 图20°CFRP试样纵向拉伸 了碳纤维被拉直引起的电阻降低.从A到B段， Fig.2 Longitudinal tension of 0 CFRP sample 电阻随应变增加而增加，这也是压阻效应和应 变电阻效应共同作用的结果.但这种压阻效应 力一应变（σ一ε）关系曲线和电阻相对变化一应 是由于应变使纤维与纤维间接触电阻及纤维与 变（△R/Re)关系曲线. 基体间界面电阻改变而引起的.此外，还存在着 从图2中可以看出，应力随应变始终呈线 少量纤维与基体脱胶及纤维与纤维间接触中断 性变化，而电阻随应变的变化则要复杂得多. 造成的电阻变化.从B开始，产生了纤维与基体 △RUR。一e关系曲线近似分为四个部分.从开始 间剪切破坏，导致电阻突增 至A点，随应力、应变增加，电阻略有下降，这是 30°，60°CFRP层合板偏轴拉伸结果与45° 由于试样中原本近似波浪状排列的碳纤维在应 CFRP层合板偏轴拉伸相似. 力作用下被逐渐拉直，从而引起纤维电阻率的 下降周.从A到B,电阻随应变线性增加，这可作 0.45 75 如下分析.设试样的电阻为R,电阻率为P,长度 为L,横截面积为S,试样与电极的接触电阻为 60 Rc,则 0.30 45 R=pL/S+Rc (1) 试验中试样经镀铜设置电极后R很小，故 30 Rc可以忽略.对式(1)经数学推导可得： 0.15 △R/R=△plpt1+2v)e (2) 15 式中，△R/R为电阻的相对变化，△plp为电阻率 的相对变化，为材料的泊松比. 0 0 0 0.15 0.30 0.45 0.75 式(2)说明拉伸时试样电阻的变化可由两种 E1% 情况造成：一是试样受力后尺寸发生变化，即产 图345°CFRP试样偏轴拉伸 生了应变电阻效应；另一是试样受力后电阻率 Fig.3 Off-axis tension of 45 CFRP sample 发生变化，即产生了压阻效应.压阻效应的产生 是由于拉伸时碳纤维细原丝间接触电阻发生了 (3)横向拉伸 变化，或产生结晶的再取向引起碳纤维电阻率 图4为横向拉伸时获得的o一e,△R/R,e关 发生变化，从而导致CFRP试样电阻率发生变 系曲线，与偏轴拉伸相似.A点后，是基体开始开 化.若将压阻系数定义式π=（△plpo)/o稍作变换 裂导致应变迅速下降，电阻迅速上升，最后基体 后代入式(2)，则可得： 断裂，电阻陡增. △R/R。=(πE+1+2v)e (3) 2.2循环拉伸时电阻变化特性 式(3)说明，当△R/R随应变呈线性变化时， (1)纵向循环拉伸. 压阻系数必为一个常数.可见，在AB段既有应 图5为0°CFRP试样作最大应力幅值为破 变电阻效应，又有压阻效应，且压阻效应的大小 坏应力的17%的循环拉伸时获得的应力一时间

Vb l 一 2 4 骆心怡 等 : 碳纤 维复合 材料单 向层合板 自传感特 性 一 6 3 9 - 0 . 3 2 0 . 1 6 4 . 5 3 . 0 月 叠 1 . s b 不随应力 、 应变的变化 而改变 . 从 B 到 C段 , 电阻 随应变增加仍然增加 , 但不 再是线性 , 这是 由于 这段拉伸 中有少量 的 纤维 断裂 . 当拉伸 至 C点 纤维束开始断裂 , 电阻表现为阶梯状 突增 , 而此 时应力只 稍有变化 . 当试样最终 突然脆性断裂 时纤维束全部拉断 , 电 阻突增至无 穷 . (2 ) 偏轴拉伸 . 图 3 是 4 50 试样 偏轴 拉伸 时获得 的 ~ , AR R/ o一 ￡关系 曲线 . 与图 2 比较可 以发现 , 拉 伸 开始后至A 点电阻并不 出现下降现象 , 而是随应 变增加而增加 . 这是由于压阻效应 比较大 , 超过 了碳纤维被拉直引起 的电阻降低 . 从A 到B 段 , 电 阻随应变增加而增加 , 这也是 压阻效应和 应 变电 阻效应共 同作用 的结果 . 但这种压阻效应 是由于应变使纤维与纤维间接触 电阻及纤维与 基体 间界面电阻改变而引起 的 . 此外 , 还存在着 少量纤维与基体脱胶及纤维与纤维间接触 中断 造成 的电阻变化 . 从 B 开始 , 产生了纤维 与基体 间剪切破坏 , 导致 电 阻突增 . 3 0 0 , 6 0 0 C FRP 层合板偏轴拉伸结果与 4 5 “ C FRP 层合板偏轴拉伸相似 . n ù O八 .0 遥侧劝 0 0 0 一 .0 0 8 匕se ~ 一 一 - - - 上- - 一 - - - - 二 一 一- 一 土一一 一 J 一 1 . 5 0 0 . 4 0 . 8 1 . 2 1 . 6 ￡ /% 图 2 o C F R P 试样 纵 向拉 伸 F ig · 2 L o n g iut d i n a l et o s fo n o f 0 0 C F R p s a ln P le 力一应变 ( ~ )关 系曲线和 电阻相对变 化一 应 变 (AR 0R/ 二)关系曲线 . 从图 2 中可 以看 出 , 应力随应变始终呈线 性变化 , 而电阻随应 变的变化则要复杂得 多 . △尺舰 。一 ￡ 关系 曲线近似 分为四个部分 . 从开始 至 A 点 , 随应 力 、 应变增加 , 电阻略有下 降 , 这是 由于 试样 中原本近似波浪状排列 的碳纤 维在应 力作用 下 被逐渐拉直 , 从而 引起纤维 电阻率 的 下 降 `8] 一从注到B , 电阻随应 变线性增 加 , 这可作 如下 分 析 . 设试样 的电阻为 R , 电阻率为p , 长度 为L , 横截 面积 为S , 试样与电极 的接触 电阻为 R C , 则 R = PL /S千R 。 ( l ) 试验 中试样经镀铜设置 电极后cR 很小 , 故 R C可 以忽 略 . 对式 ( l) 经数 学推导 可 得 : AR R/ 。 = 如P/ 。+ ( 1 + Zv) 。 ( 2 ) 式 中 , 从R/ 。为电阻 的相对 变化 , 如加 。为电阻率 的相 对变化 , v 为材料 的泊松 比 . 式 (2 )说 明拉伸 时试样电阻的变化可 由两种 情况造成: 一是试样受 力后尺 寸发生变化 , 即产 生了应变 电 阻效应 ; 另一是试样受力后 电阻率 发生变化 , 即产生 了压阻效应 . 压阻效应的 产生 是 由于拉伸时碳纤维细原丝 间接触电 阻发生 了 变化 , 或产生结 晶的再取 向引起碳纤维 电阻率 发生变化 ls] , 从而 导致 C F即 试样 电阻率发生变 化 . 若将压 阻系数定义式二 = (如伽 ) / 。 稍作变换 后代人式 (2) , 则可 得 : 从R/ 。 二 ( 兀石斗 l + Z v ) : ( 3 ) 式 (3 )说 明 , 当从R/ 。随应变呈线性变化 时 , 压阻系数必 为一个 常数 . 可见 , 在月刀段 既有应 变电阻效应 , 又 有压阻效应 , 且压阻效应 的大小 0 . 4 5 0 . 3 0 山勺乏目b 亡八“J 4 凡」 遥 骂 0 . 1 5 0 0 . 15 0 . 3 0 ￡ /% 0 . 4 5 0 . 7 5 图 3 4 5o C F Rp 试样 偏轴拉伸 F ig . 3 o -f a 廊 t e n s io n o f 4 5 0 C F R卫 s a m Pl e (3 ) 横 向拉伸 . 图 4 为横 向拉伸时获得 的 ~ , 从R/ 。 二关 系曲线 , 与偏轴拉伸相似 . A 点后 , 是基体开始开 裂导致应变迅速下降 , 电阻迅速上升 , 最后基体 断裂 , 电 阻陡增 . .2 2 循环拉伸时电阻变化特性 ( l) 纵 向循环拉伸 . 图 5 为 0 C F ” 试样作最大应力 幅值为破 坏应力的 17% 的循环拉伸时获得 的应力一时间

640 北京科技大学学报 2002年第6期 0.60 50 (o一)、应变一时间(&一)和电阻相对变化一时间 (△R/R。一)关系曲线.可以看到，电阻随应力、应 0.48 变增加（或减小）而减小（或增加）.这个结果与 36 图2中所示是相符合的.同时可以看出，当应变 30 可逆时，△R/R的变化也是可逆的 0.24 图6为O°CFRP试样作最大应力幅值为破 坏应力的46%，58%，65%的循环拉伸时同时获 0.12 9 得的o一t,&—t,△R/R一关系曲线.很明显与图5 不同，其电阻随应力、应变增加（或减小）而增加 (或减小)，这个结果与图2所示相符合.此外，从 0 0.10 0.30 0.450.600.75 e/% 图中还可看出，当第一循环结束时，△R/R为负 图40°CFRP试样横向拉伸 值，表明电阻比未拉伸前要小.这是由于拉伸不 Fig.4 Latitudinal tension of 90 CFRP sample 可逆地扰乱了纤维排列的规整度，从而降低了 试样的电阻 250 0.18 0.004 0.16 200 0.000 0.12 0.004 100 0.08 50 0.04 0.008 0 0.012 200 400 600 0 200 400 600 200 400 600 t/s t/s t/s 图50°CFRP试样作最大应力幅值为破坏应力17%时的循环拉伸 Fig.5 Cyclic tension of 0 CFRP sample when the maximal stress is 17%of the failure stress 1000 0.8 0.010 800 0.6 0.005 600 0.4 400 200 0.2 0 -0.005 0100200300400500 0100200300400500 0100200300400500 t/s t/s t/s 图60°CFRP试样作最大应力幅值为破坏应力46%，58%，65%时的循环拉伸 Fig.6 Cyclic tension of CFRP sample when the maximal stress is 46%,58%,65%of the failure stress respectively (2)偏轴循环拉伸， 增加（或减小），这与图3所示相符合，是压阻效 图7为45试样作最大应力幅值为破坏应 应及应变电阻效应共同作用的结果；同种试样 力29%的循环拉伸时获得的o一t,&一t,△R/R。一t 在同一应力幅值下循环拉伸，每个循环下随着 关系曲线，图8为45°试样作最大应力幅值为破 应变的增加，△R上升的幅值大致相同：而不 坏应力58%，62%，68%的循环拉伸时同时获得 同应力幅值下循环拉伸，每个循环下随着应力 的o一1，&一t,△R/。一1关系曲线.可以看出，每一 幅值的增加，△R/R上升的幅值也在增加. 循环中，随着应力、应变增加（或减小），△R/R也 对30°，0°CFRP试样分别作偏轴循环拉

一 6 4 0 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 2 年 第 6 期 0 . 6 0 0 . 4 8 山芝、时b 内ù、 勺产 望 .0 侧司 0 . 2 4 0 . 12 0 0 . 1 0 0 . 3 0 0 . 4 5 0 . 6 0 ￡ /% 」 o _ 0 . 7 5 图 4 , 0 0 C F R P 试样 横 向拉伸 F ig . 4 L a t iot d i n a l t e n s i o n o f 9 0 o C F R P s a m lP e (~ )t 、 应 变一时间 (卜)t 和 电阻相对变化一时间 (从 R/ 厂)t 关 系曲线 . 可 以看 到 , 电 阻随应力 、 应 变增加 (或减小 ) 而减 小 (或增加 ) . 这个 结果 与 图 2 中所 示是相符合的 . 同时可 以看 出 , 当应 变 可 逆时 , △只R/ 。的变化也是可 逆 的 , 图 6 为 0 c FRP 试样作最大应 力幅值为破 坏应力 的 46 % , 58 % , 65 % 的循环拉 伸时 同时获 得 的~ t 声一 / , 从R/ 。一犷关系 曲线 . 很 明显与图 5 不 同 , 其 电阻随应力 、 应变增加 (或减小 )而 增加 (或减小 ) , 这个结果与图 2 所示相符合 . 此外 , 从 图中还 可看 出 , 当第 一循环结束时 , AR R/ 。为负 值 , 表明电阻比未拉伸前要小 . 这是 由于拉伸不 可逆地扰乱 了 纤维排列的规整度 , 从而 降低 了 试样 的 电阻 . 0 . 1 8 0 . 1 6 0 . 0 0 4 0 . 12 芝句 0 . 0 8 0 . 0 0 0 誊歌 ” 04 0 . 0 4 -() . 0 0 8 刁 . 0 12 0 00 nU八“0 勺ù气0 à」亡 2 , 1. ,1 一白乏昭b 2 0 0 4 0 0 6 0 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 t / S t / S t / S 图 5 o C F R p 试 样作 最大应 力 幅值为破坏应 力 17 % 时的循环 拉伸 F ig . 5 C y e lic et n s i o n o f 0 0 C F R P s a m Pl e w h e n t h e m a x im a l s t er s s 1 5 1 7% o f t h e fa i lu er s t er s s 0 . 8 0 . 6 0 . 0 1 0 望 骂 1 1 茅 .\ 石 0 . 4 10 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 t / s 10 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 t / s 2 0 0 3 0 0 t s/ 4 00 5 0 0 0 .200 0 八乙UOn64 , 0 0 山艺\目b 图 6 o C F R P 试样 作最 大应 力幅值 为破 坏应 力 46 % , 58 % , 65 % 时的循 环拉伸 F i g . 6 C y e li e et n s i o n o f 0 0 C F R P s a m Pl e w h e n th e m a x im a l s t er s s 15 4 6% , 5 8% , 6 5% o f t h e fa U u er s t er s s er s P e e tiv e ly (2 )偏轴循环拉伸 . 图 7 为 45 。 试样 作最大应力 幅值为破坏应 力 2 9 % 的循环拉 伸时获得 的~ t , 一 t , AR R/ 厂 t 关系 曲线 , 图 8 为 45 “ 试样作最大应力 幅值 为破 坏应力 58 % , 62 % , 6 8% 的循 环拉伸时 同时获得 的 口` - 才声一才 , AR R/ -0 t关 系 曲线 . 可 以看出 , 每一 循环 中 , 随着应力 、 应变增加 (或减小 ) , 从R/ 0也 增加 (或减小 ) , 这与 图 3 所示相符合 , 是压 阻效 应及应 变电阻效应共 同作用 的结果 ; 同种试样 在 同一应力幅值下 循环拉伸 , 每个循环下 随着 应 变的增 加 , AR R/ 。上 升 的幅值大致相 同 ; 而不 同应力幅值下循环拉伸 , 每个循环下 随着应力 幅值 的 增加 , 胡R/ 。上升 的幅值也在增加 . 对 30 “ , .50 “ c FRP 试样 分别作偏轴循环拉

Vol.24 骆心怡等：碳纤维复合材料单向层合板自传感特性 641 30 0.25 0.015 0.20 0.010 g20 0.15 0.005 0.10 10 0.000 0.05 0.005 0L/ 0.0101 0 40 80120160 040 80120160 0 4080120160 tis 11s tis 图745°CFRP试样作最大应力幅值为破坏应力29%时的循环拉伸 Fig.7 Cyclic tension of 45CFRP sample when the maximal stress is 29%of failure stress 0.4 0.04 40 0.3 0.02 30 0.2 20 0.1 10 0 0.02L 50100150200250 050100150200250 050100150200250 tis t'/s t/s 图845°CFRP试样作最大应力幅值为破坏应力58%，62%，68%时的循环拉伸 Fig.8 Cyclic tension of 45CFRP sample when the maximal stress is 58%,62%,68%of failure stress respectively 伸，其结果与45°CFRP试样偏轴循环拉伸相似. (3)横向循环拉伸. 表1列出了不同试样不同应力幅值下应变 90°试样作循环拉伸时获得的σ-1，一1， 敏感度K的值，K=(△R/R)/e,其物理意义为单位 △R/R。一1关系曲线与偏轴情况相似. 应变体积电阻的相对变化值，表示对所承受的 2.3不同铺层方向CFRP试样压阻性能比较 应变量的灵敏程度，相当于应变片的灵敏度.又 图9为不同铺层方向CFRP试样单轴拉伸 由式(2)可得： 时的△R/R。一e关系曲线.可以看出，在同一应变 (△R/R)/e=(1+2v+(△plp)/e (4) 下，偏轴及横向拉伸时电阻相对变化比纵向拉 式中，1+2v为材料常数，所以K值也就反映了压 伸时大，且随铺层方向角的增大，电阻相对变化 阻效应的强弱 也越来越大.这说明，随着铺层方向角的增加， 由表1可知，随着应力幅值的增加，△R/R 0.030 上升的幅值也在增加，这与图8所示结果是一 90 致的 0.025 60 表1各种试样在不同最大应力幅值下的K值 450 0.020 30% Table 1 K data of different samples under different maxi- 苦 15 mal stresses 0.015 试样 (a)/% K 20 7.5 0.010 30° 27 0° 8.6 0 29 5.7 0.34 0.35 0.36 0.37 0.38 45° 37 7.7 / 600 12 4.6 图9不同铺层方向CFRP试样单轴拉伸 23 5.0 Fig.9 Tension of CFRP samples at different angles

V 6 1 . 2 4 骆 心怡等 :碳 纤维 复合材料 单 向层合 板 自传 感特 性 尹护沪{ 一 …肠(口{{ _ 图 7 4 o5 C F R P 试 样作最 大应 力幅值为破 坏应 力 29 %时的循 环 一 拉伸 F gi . 7 C y c l i e t e n s fo n o f 4 5 o C F R P s a m P l e w h e n 伍 e m a址 m a l s t re s s 15 2 9 % o f fa il u re s t re s s 盆门1一 |! nU 日且é 0 . 4 0 . 3 0 . 0 0 4 八1 ù、 ù 4 0 . 0 2 采 又 U . 2 铂 誊 n ù内、 à 山兮乏时b 0- . 0 2 0 50 10 0 15 0 200 2 50 15 0 2 0 0 2 50 0 5 0 10 0 1 50 2 0 0 2 5 0 t / 5 t 7 s t / s 图 8 4 o5 C F R P 试样 作最大应 力幅值 为破坏 应力 85 % , 62 % , 68 % 时 的循 环拉 伸 F i g . 8 C y e l i e t e n s i o n o f 4 5 O C F R P s a m P l e w h e n t h e m a x im a l s t er s s 1 5 5 8% , 6 2% , 6 8% o f fa il u er s t er s s er s P e e t iv e ly 伸 , 其结果 与 45 “ C F即试样偏轴循环拉伸相似 . 表 1 列 出了不 同试样不同应力 幅值下 应变 敏感度K 的值 , K =( △R R/ 0) 触 , 其物理意义 为单位 应变体积 电 阻的相对变化值 , 表示对所承受 的 应变量的灵敏程度 , 相 当于应变片的灵敏度 . 又 由式 (2) 可 得 : ( △R R/ 。 )殆= ( l + Zv) + ( △p p/ 。 )龙 ( 4 ) 式中 , 卜v2 为材料 常数 , 所 以 K 值也就反映了 压 阻效应 的强 弱 . 由表 1 可 知 , 随着应力 幅值 的增加 , △ R R/ 。 上 升的幅值 也在增 加 , 这与 图 8 所示 结果是一 致的 . ( 3) 横 向循环拉伸 . 9 0 试 样 作 循 环 拉 伸 时 获 得 的 J ` 一才 , : 一才 , AR R/ 厂t关 系曲线与偏轴情 况相似 . .2 3 不 同铺层 方向 C F R P 试样压阻性能 比较 图 9 为不 同铺层方 向 C FRP 试样单轴拉 伸 时的从R/ o ot ￡关系 曲线 . 可 以看 出 , 在同一应 变 下 , 偏 轴及 横向拉伸 时电 阻相 对变化 比纵向拉 伸时大 , 且 随铺层方 向角的增大 , 电阻相对变化 也越来越大 . 这说 明 , 随着铺层方 向角的增 加 , 0 . 0 3 0 一一 一一 曰 9 0 0 尸一一 0 . 0 2 5 表 1 各种试样 在不 同最大应 力幅值 下的K 值 aT b l e 1 K d a t a o f d i fe r e n t s a m P l e s u n d e r d i fe er n t m a x 卜 m a l s t 代S S e S 试样 (氏 。 .a/ ) o/ ` K 誊 0 . 0 2 0 4 5 0 3 0 0 15 0 0 . 0 15 0 . 0 10 0 一 一一一- 一一不一一一 ~ - . ! 0 . 3 4 0 3 5 0 . 3 6 0 . 3 7 0 . 3 8 s /% 图 9 不 同铺层 方 向 C F R P 试样 单轴拉伸 F i g · 9 eT n s i o n o f C F R P s a m Pl e s a t d i fe er n t a n g le s 一20793 12 4 . 6 6 0 0 2 3 5 . U

·642· 北京科技大学学报 2002年第6期 压阻效应越来越明显 可实现对该材料的在线实时自监测，以及对其 损伤、破坏的自诊断. 3 结论 参考文献 (1)不同铺层方向CFRP单向层合板单轴拉 1陶宝祺.智能材料结构M北京：国防工业出版社， 伸时体积电阻的变化特性各不相同.该特性比 1997 拉伸中应力、应变的变化能更多地反映有关材 2梁大开，黄明双，陶宝祺光纤埋入碳纤维复合材料结 料内部结构变化的信息，如变形、纤维断裂等. 构的实验研究).材料工程，2000,20(2：16 (2)CFRP单向层合板具有压阻效应.纵向 3 Schult K,Baron C.Load and failure analyses of CFRP 拉伸时压阻效应的产生是由于碳纤维的细原丝 laminates by means of electrical resistivity measurements [J].Composites Sci and Tech,1989,36(1):63 间接触电阻的变化或结晶的再取向引起碳纤维 4肖军，李勇，复合材料层合板面内压阻效应层合理论 电阻系数发生变化，从而导致CFRP单向层合 研究[J固体力学学报，1999,20(2)：157 板电阻系数发生变化；偏轴拉伸、横向拉伸时压 5 Xiao Jun,Fan Weixun.Piezoresistance characteristics of 阻效应的产生则是由于应变使得碳纤维与碳纤 orthotropic materials [J].Trans of Nanjing University of 维之间的距离改变，碳纤维与碳纤维间的接触 Aeronautics Astronautics,1999,16(1):105 电阻改变以及碳纤维与基体间界面电阻改变造 6 Muto N,Yanagida H.Foreseeing of fracture in CFRP com- posite by measuring electrical resistance [J].J of Japanese 成 Composite Society,1991,8(4):144 (3)CFRP单向层合板压阻效应的值随应力 7 Moriya K,Endo T.A Study on flaw detection method for 及铺层方向角的变化而改变.压阻效应随着应 CFRP composites laminate I:The measurement of crack 力的增加而增加；偏轴拉伸、横向拉伸时压阻效 extension in CFRP composites by electrical potential 应比纵向拉伸时要大，且随铺层方向角的增大， method [J].Trans Jpn Soc Aeronaut Space Sci,1990,32 压阻效应越来越明显 (98):184 8 Owston C N.Electrical properties of single carbon fibers (4)利用CFRP单向层合板这种自传感特性， [J].J Phys D:Appl Phys,1970,3:1615 Sensor Characteristics of CFRP Unidirectional Laminates LUO Xinyi,WAN Kaikun,XIONG Ke,ZHU Xiaorong",LI Shunlin 1)College of Materials Science and Technology,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China 2)Material Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China 3)The Aeronautical Science Key Laboratory,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China ABATRACT The sensor characteristics of CFRP unidirectional laminates were studied by measuring the re- sistance changes while tension or cyclic tension was applied.The results show that the characteristics of resis- tance change are different at different ply angles.These characteristics can reflect more information than stress and strain.It is found that CFRP unidirectional laminates have piezoresistive effect.With an increase in stress, the piezoresistive effect increases.The piezoresistive effect of off-axis and 90 CFRP laminates is stronger than that of 0 CFRP laminate and with the increase of the ply angle the piezoresistive effect increases.By use of the characteristics of resistance change,the CFRP unidirectional laminate can be inspected in-situ and the damage can be diagnosed by itself. KEY WORDS carbon fiber composite:piezoresistive effect;off-axis

一 6 4 2 - 压阻效应越来越 明显 . 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 2 0 0 2 6 可实现对该材 料的在线实时 自监测 , 以 及对其 损伤 、 破坏 的 自诊 断 , 3 结论 ( l) 不 同铺 层方 向 C FRP 单 向层合板 单轴拉 伸 时体积 电 阻的变化 特性 各不相 同 . 该 特性 比 拉伸 中应力 、 应变 的变化能更 多地反映有关材 料 内部结构 变化的信息 , 如变形 、 纤维 断裂 等 . (2 ) C FRP 单 向层合板具 有压阻效应 . 纵 向 拉伸 时 压阻效应 的产生是 由于碳纤维 的细原丝 间接触电 阻的 变化或结 晶的再取 向引起碳纤 维 电阻系数 发生变化 , 从 而导致 c FRP 单 向层合 板 电阻系数发生变化 ; 偏轴拉伸 、 横 向拉伸 时压 阻效应的产生则是 由于应变使得碳纤维与碳纤 维之 间的距 离改变 , 碳纤 维与碳纤维 间的接触 电阻改变 以及碳纤维 与基体 间界面 电阻改变造 成 . (3 ) C FRP 单 向层 合板压阻效应 的值 随应 力 及铺层方 向角 的变化而改变 . 压阻效应 随着 应 力 的增加而增加 ; 偏轴拉伸 、 横 向拉伸时压阻效 应 比纵 向拉伸时要 大 , 且随铺层方 向角的增大 , 压 阻效应 越来越 明显 . (4 )利用 C FRP 单 向层合板这种 自传感特性 , 参 考 文 献 1 陶宝棋 . 智能 材料结 构 [M ] . 北 京: 国防工业 出版社 , 1 9 9 7 2 梁大开 ,黄 明双 , 陶宝 棋 . 光纤 埋人碳 纤维 复合材料 结 构 的实 验研究 田 材料 工程 , 2 0 0 0 , 2 0 ( 2 ) : 16 3 S e hu l t K , B ar o n C . L o ad an d fa i lur e an a ly s e s o f C FRP l am in aet s b y m e an s 0 f e l e e tr i e al er s i s t i v iyt m e a s uemr e nt s [J ] . C o m P o s it e s S e i a l l d eT e h , 1 9 8 9 , 3 6 ( l ) : 6 3 4 肖军 ,李勇 . 复合材 料层 合板面 内压阻效 应层合 理论 研究 [ J ] . 固体力 学学 报 , 1 9 9 9 , 2 0 ( 2 ) : 15 7 5 X i ao j u n , Fan W 己i x u n . P i e oz er s i s t an e e e h a ar e et ir s t i c s o f o hrt ot r oP i e m at e r i a l s [ J ] . rT an s o f N anj ing nU i v e r s iyt o f A e or na u ti c s & A s otr n aut i e s , 1 9 9 9 , 1 6( l ) : 1 0 5 6 Mu t o N , Y白n iag d a H . F or e s e e i n g o f fr a c t u r e i n CF RP e om - P o s i t e 勿 m e a s u r ing e l e ctr i e a l er s i s t a n c e [J I . J o f j ap ane s e C om p o s i t e s o e i e yt, 1 9 9 1 , 8 ( 4 ) : 14 4 7 M o ir y a K , E n d o .T A S tU dy o n fl aw d e t e c ti o n m e t h o d fo r C F即 e om P o s i t e s l am in aet l : T he m e a s uer m e nt o f e r ac k e xet n s i on i n C FRP c o m P o s i t e s by e l e c tr i e a l P oet nt i a l m e ht o d [J ] . rT an s PJ n S o c A e r o n aut SP ac e S e i , 19 9 0 , 3 2 ( 98 ) : 18 4 8 0 w s ot n C N . E l e e itr c a l Por Pe rt i e s o f s i n g l e e ar b o n if b e r s [Jl . J P hy s D : A p 1 P hy s , 1 9 7 0 , 3 : 16 1 5 S e n s o r C h ar a e et r i s t i e s O f C F R P U n id i r e c t i o n a l L a ln i n at e s L U O Xi ny !i) , 恻N aK iku n )z, 尤陌 W G eK ” , Z 仔 U Xi a o or 衅 , LI hS un iln “ 1) C o ll e g e o f M a t e r i a l s S e i e n e e an d eT c ih 1 o l o gyl N anj ign nU i v er s ity o f A e or n aut i e s an d A s t r o n a u t e s , N anj ing 2 1 0 0 16 , C hi n a 2 ) M at e r ial S e i en e e an d E n g in e e r ing S e h o o l , U S T B e ij in g , B e ij ign 1 0 0 0 8 3 , C h in a 3 ) T h e A e or n au ti e al S e i e n e e K ey L ab o art o yr, N anj ign U n iv e rs iyt o f A e or n aut i e s an d A str on aut i c s , N anj ign 2 10 0 16 , C h in a A B AT R A C T hT e s en s or ch ar a e t e r i s t i e s o f C F R P un id i r e e t i o n al l am in ate s w e r e s tu d i e d 勿 m e a s而gn ht e re - s i s t a n e e e h a n g e s W h ll e t e n s ion o r e y e li e t en s i o n w a s ap P li e d . T h e re s u lt s s h o w ht at ht e e h ar ac t e r i s t i e s o f r e s i s - t an e e e h a n g e are id fe r e in at d i fe r e nt P ly an g l e s . hT e s e e h ar a e t e ir s t i e s e an r e fl e e t m o r e i n of rm at i o n ht an s tre s s an d s tr a in . I t 1 5 of un d ht at C F RP u n i d i r e c t i o n al l am i n at e s h va e Pi e z o re s i s t i v e e fe ct . W itl l an i n c re a s e i n s tr e s s , ht e Pi e z o r e s i s t i v e e fe e t in e er a s e s . hT e Pi e z o r e s i s t i v e e fe e t o f o -f ax i s an d 9 0 0 C F孙 l am in at e s 1 5 s tr o n g e r ht an ht at o f o o C F R P l am i n at e an d w iht ht e in e r e a s e o f ht e Pl y an g l e ht e P i e z o r e s i s it v e e fe e t i n e r e a s e s . B y u s e o f ht e e h ar a c t e r i s t i e s o f r e s i时an e e e h an g e , ht e C FR P un id ir e e t i o n a l l am i n at e e a n b e in s P e e t e d i n 一 s iut an d ht e d am a g e c an b e d i a gn o s e d by it s e l.f K E Y W O R D S c a r b o n ifb e r e o m P o s it e : Pi e z o r e s i s t i v e e fe e t : o -f ax i s