·718 工程科学学报，第40卷，第6期 所示.得到的拟合公式见表1，其中Y为碳纳米纸传 层合板中的应变以及表层和里层碳纳米纸传感器的 感器的电阻变化率，X为复合材料板层合板的拉伸 电阻变化率的变化曲线. 应变 如图5所示的拉伸加载卸载过程中，复合材料 表1拟合结果 层合板的应变以及表层、里层碳纳米纸传感器的电 Table 1 Fitting results 阻变化率随时间的变化曲线 粘贴类型 曲线函数 拟合度 表层 2 碳纸 表层碳纸传感器 Y=0.21658X+0.000348 R2=0.9979 里层碳纸传感器 Y=0.21389X+0.000306 R2=0.9975 52 里层 碳纸 由拟合公式可以看出：复合材料层合板表层碳 纳米纸传感器的应变传感系数为0.21658，复合材 ZK 料层合板里层的碳纳米纸传感器的应变传感系数为 应变 0.21389.从不同位置碳纳米纸应变传感系数的数 值大小来看，两者已经非常接近.这些结果说明复 合材料在拉伸变形过程中，其表层和里层的变形形 9 12 15 18 式以及变形程度是协同一致的.通过比较其数值的 循环次数 大小，可以发现：相比于复合材料里层碳纳米纸的应 图5拉伸加载卸载复合材料层合板应变以及碳纳米纸传感器 变传感系数，复合材料表层碳纳米纸的应变传感系 的电阻变化率的变化曲线 数稍大一些.这是由于碳纳米纸特有的微观结构特 Fig.5 Strain rate of the laminated plate and change rate in the resist- ance of buckypaper under tensile loading and unloading 征，相比于复合材料表层的碳纳米纸单侧受到树脂 浸润，复合材料里层的碳纳米纸两侧都要受到树脂 经过分析，由于最大载荷分别为2、4、6、8、10、 浸润：又因为树脂的非导电性，碳纳米纸中浸入的树 12和13kN,所以图5可对应最大载荷也具体分为7 脂会增加碳纳米纸的电阻，降低了碳纳米纸传感器 个阶段. 对复合材料应变变形的敏感性. 第一阶段：在拉伸加载卸载过程中，复合材料层 通过仔细分析碳纳米纸传感器电阻变化率随应 合板表层碳纳米纸传感器的电阻变化率在0~ 变的拟合公式，还可以惊奇的发现：碳纳米纸传感器 0.267%,复合材料层合板里层碳纳米纸传感器的电 的电阻变化率与复合材料应变具有良好的线性关 阻变化率在0~0.252%，复合材料层合板的应变在 系，这说明碳纳米纸传感器可以替代传统应变片，使 -0.02%~0.1186%之间. 其嵌入在复合材料中，用来实时监测复合材料的应 第二阶段：在拉伸加载卸载过程中，复合材料层 变.碳纳米纸取代应变片来实时监测复合材料的应 合板表层碳纳米纸传感器的电阻变化率在0~ 变，具有以下优点： 0.55%,复合材料层合板里层碳纳米纸传感器的电 (a)文中所使用的应变片量程为2%，这远远不 阻变化率在0~0.51%，复合材料层合板的应变在 够用于复合材料的损伤监测.而碳纳米纸传感器可 -0.02%~0.2711%. 以达到5.5%左右.图4(b)和(c)中，拉伸过程 第三阶段：在拉伸加载卸载过程中，复合材料层 中碳纳米纸传感器监测到应变不到1.2%，还有很 合板表层碳纳米纸传感器的电阻变化率在0.003%~ 大的空间可以用于监测复合材料的变形及损伤. 0.867%,复合材料层合板里层碳纳米纸传感器的电 (b)应变片作为一种金属器件，它很难达到与 阻变化率在0.02%~0.804%，复合材料层合板的 复合材料完美的界面结合.在复合材料变形过程 应变在-0.02%~0.4266%. 中，这种较弱的界面结合，很大可能会使应变片从复 第四阶段：在拉伸加载卸载过程中，复合材料层 合材料上脱落.然而，碳纳米纸传感器作为碳纳米 合板表层碳纳米纸传感器的电阻变化率在0.024%~ 管的三维网络，其网络内分布有很多孔隙，使其在复 1.196%,复合材料层合板里层碳纳米纸传感器的电 合材料的固化过程中，很容易被树脂浸入，达到很强 阻变化率在0.056%~1.145%，复合材料层合板的 的界面结合程度 应变在-0.016%-0.5877% 2.3拉伸加载卸载时的协同变形数据分析 第五阶段：在拉伸加载卸载过程中，复合材料层 图5所示为在拉伸加载卸载过程中，复合材料 合板表层碳纳米纸传感器的电阻变化率在0.06%~工程科学学报，第 40 卷，第 6 期 所示． 得到的拟合公式见表 1，其中 Y 为碳纳米纸传 感器的电阻变化率，X 为复合材料板层合板的拉伸 应变． 表 1 拟合结果 Table 1 Fitting results 粘贴类型 曲线函数 拟合度 表层碳纸传感器 Y = 0. 21658X + 0. 000348 Ｒ2 = 0. 9979 里层碳纸传感器 Y = 0. 21389X + 0. 000306 Ｒ2 = 0. 9975 由拟合公式可以看出: 复合材料层合板表层碳 纳米纸传感器的应变传感系数为 0. 21658，复合材 料层合板里层的碳纳米纸传感器的应变传感系数为 0. 21389． 从不同位置碳纳米纸应变传感系数的数 值大小来看，两者已经非常接近． 这些结果说明复 合材料在拉伸变形过程中，其表层和里层的变形形 式以及变形程度是协同一致的． 通过比较其数值的 大小，可以发现: 相比于复合材料里层碳纳米纸的应 变传感系数，复合材料表层碳纳米纸的应变传感系 数稍大一些． 这是由于碳纳米纸特有的微观结构特 征，相比于复合材料表层的碳纳米纸单侧受到树脂 浸润，复合材料里层的碳纳米纸两侧都要受到树脂 浸润; 又因为树脂的非导电性，碳纳米纸中浸入的树 脂会增加碳纳米纸的电阻，降低了碳纳米纸传感器 对复合材料应变变形的敏感性． 通过仔细分析碳纳米纸传感器电阻变化率随应 变的拟合公式，还可以惊奇的发现: 碳纳米纸传感器 的电阻变化率与复合材料应变具有良好的线性关 系，这说明碳纳米纸传感器可以替代传统应变片，使 其嵌入在复合材料中，用来实时监测复合材料的应 变． 碳纳米纸取代应变片来实时监测复合材料的应 变，具有以下优点: ( a) 文中所使用的应变片量程为 2% ，这远远不 够用于复合材料的损伤监测． 而碳纳米纸传感器可 以达到 5. 5% 左右［16］． 图 4( b) 和( c) 中，拉伸过程 中碳纳米纸传感器监测到应变不到 1. 2% ，还有很 大的空间可以用于监测复合材料的变形及损伤． ( b) 应变片作为一种金属器件，它很难达到与 复合材料完美的界面结合． 在复合材料变形过程 中，这种较弱的界面结合，很大可能会使应变片从复 合材料上脱落． 然而，碳纳米纸传感器作为碳纳米 管的三维网络，其网络内分布有很多孔隙，使其在复 合材料的固化过程中，很容易被树脂浸入，达到很强 的界面结合程度． 2. 3 拉伸加载卸载时的协同变形数据分析 图 5 所示为在拉伸加载卸载过程中，复合材料 层合板中的应变以及表层和里层碳纳米纸传感器的 电阻变化率的变化曲线． 如图 5 所示的拉伸加载卸载过程中，复合材料 层合板的应变以及表层、里层碳纳米纸传感器的电 阻变化率随时间的变化曲线． 图 5 拉伸加载卸载复合材料层合板应变以及碳纳米纸传感器 的电阻变化率的变化曲线 Fig． 5 Strain rate of the laminated plate and change rate in the resist￾ance of buckypaper under tensile loading and unloading 经过分析，由于最大载荷分别为 2、4、6、8、10、 12 和 13 kN，所以图 5 可对应最大载荷也具体分为 7 个阶段． 第一阶段: 在拉伸加载卸载过程中，复合材料层 合板表层 碳 纳 米 纸 传 感 器 的 电 阻 变 化 率 在 0 ～ 0. 267% ，复合材料层合板里层碳纳米纸传感器的电 阻变化率在 0 ～ 0. 252% ，复合材料层合板的应变在 － 0. 02% ～ 0. 1186% 之间． 第二阶段: 在拉伸加载卸载过程中，复合材料层 合板表层 碳 纳 米 纸 传 感 器 的 电 阻 变 化 率 在 0 ～ 0. 55% ，复合材料层合板里层碳纳米纸传感器的电 阻变化率在 0 ～ 0. 51% ，复合材料层合板的应变在 － 0. 02% ～ 0. 2711% ． 第三阶段: 在拉伸加载卸载过程中，复合材料层 合板表层碳纳米纸传感器的电阻变化率在 0. 003% ～ 0. 867% ，复合材料层合板里层碳纳米纸传感器的电 阻变化率在 0. 02% ～ 0. 804% ，复合材料层合板的 应变在 － 0. 02% ～ 0. 4266% ． 第四阶段: 在拉伸加载卸载过程中，复合材料层 合板表层碳纳米纸传感器的电阻变化率在 0. 024% ～ 1. 196% ，复合材料层合板里层碳纳米纸传感器的电 阻变化率在 0. 056% ～ 1. 145% ，复合材料层合板的 应变在 － 0. 016% ～ 0. 5877% ． 第五阶段: 在拉伸加载卸载过程中，复合材料层 合板表层碳纳米纸传感器的电阻变化率在 0. 06% ～ · 817 ·