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