（固体力学专业论文）碳纤维毡及其复合材料传感特性研究.pdf

武汉理t 大学硕士学位论文 摘要 本课题是在国家自然科学基金重点项目“机敏混凝土及其结构”和基金项 目“碳纤维智能层的多场耦合机理及其场域诊断”的资助下，以混凝土结构的 健康监测为目的，设计制作了碳纤维智能层，用于感知结构的变形和损伤，围 绕相关问题进行了探索性的理论分析及大量的实验研究。 主要做了以下工作： i 碳纤维毡单调拉伸、循环加载实验，研究碳纤维毡的应变电阻效应，通 过实验结果分析得到其应变灵敏度和传感极限数据结果；考虑到环境因素对碳 纤维毡电阻的影响，对碳纤维毡的温度电阻效应也进行了测试；在微观实验中， 初步分析碳纤维毡的传感机理。 2 水泥基智能层研究：将碳纤维毡铺在水泥中制作成水泥基智能层，作为 应变传感器；检测其静态、动态性能，考察其作为应变传感器的灵敏度、线性、 重复性、蠕变、稳定性等；应用于工程实际测量，将其用在混凝土梁上，检测 结构变形。 3 树脂基智能层研究：将碳纤维毡铺在树脂中制作成树脂基智能层，作为 应变传感器，检测其静态、动态性能，考察其作为应变传感器的灵敏度、线性、 重复性、蠕变、稳定性等；应用到重庆朝天门长江大桥和重庆菜园坝长江大桥 进行混凝土的徐变监测。 4 分析智能层二维力阻效应，推导智能层在二维应力情况下的力阻系数矩 阵；先通过力学分析对力阻本构方程进行简化，得n - 维应力状态下简化的力 阻系数：然后通过实验来确定矩阵中的每一项的数值。 关键词：碳纤维毡及其复合材料( 智能层) ，传感特性，力阻效应，电阻率 层析成像 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hs u p p o r to fn s f c ( n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ) f u n d i n g ： s m a r tc o n c r e t ea n di t ss t m c t u r e ( p r o g r a mn o ：5 0 2 3 8 0 4 0 ) a n dt h em u l t i - f i e l dc o u p l i n g m e c h a n i s ma n df i e l dd i a g n o s i so fc a r b o nf i b e ri n t e l l e c t i v el a y e r ， a i m i n ga th e a l t h y i n s p e c t i n go fc o n c r e t es t r u c t u r e ，w ed e s i g n e dt h ec a r b o nf i b e ri n t e l l e c t i v el a y e rt o s e n s et h ed e f o r m a t i o na n dd a m a g e ，m e a n w h i l em a d ee l e m e n t a r yt h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h i n g t h ep r i m a r yw o r kw ed i da r ea sf o l l o w s ： 1 t h r o u g hu n i a x i a lt e n s i o na n dc y c l i cl o a d i n ge x p e r i m e n to fc a r b o nf i b e rf e l t ，。 w er e s e a r c h e dt h ed e f o r m a t i o n r e s i s t a n c ec h a r a c t e r ， o b t a i n i n gt h es t r a i ni n t e l l i g e n t d e g r e ea n ds e n s i t i v el i m i tb yt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s c o n s i d e r i n gt h ee n v i r o n m e n t i n f l u e n c et or e s i s t a n c eo fc a r b o nf i b e rf e l t ，t e m p e r a t u r e r e s i s t a n c ec h a r a c t e rh a d b e e nt e s t e d d u r i n gt h em i c r o c o s m i ce x p e r i m e n t ，t h es e n s i n gm e c h a n i s mo fc a r b o n f i b e rf e l th a db e e na n a l y z e dp r i m e l y 2 c e m e n tb a s e di n t e l l e c t i v el a y e r ：l a y i n gc a r b o nf i b e rf e l ti nt h ec e m e n tt o g e n e r a t et h ec e m e n tb a s e di n t e l l e c t i v el a y e r , a sas t r a i ns e n s o lt h es t a t i ca n d d y n a m i cp e r f o r m a n c em e a s u r e d ，i no r d e rt oc h e c kt h ei n t e l l i g e n td e g r e e ，i i n e a r i t y ， r e p e t i t i o n ，c r e e p ，a n ds t a b i l i t ya n ds oo n a tl a s t ，p u tt h i ss t r a i ns e n s o ro nt h e c o n c r e t e 舀r d e r t o i n s p e c tt h es t r u c t u r e d e f o r m a t i o na s a p p l i c a t i o n i nc i v i l e n g i n e e r i n g 3 p i t c hb a s e di n t e l l e c t i v el a y e r ：l a y i n gc a r b o nf i b e rf e l ti nt h ep i t c ht og e n e r a t e t h ec e m e n tb a s e di n t e l l e c t i v el a y e r ，a sas t r a i ns e n s o r t h es t a t i ca n dd y n a m i c p e r f o r m a n c ei sm e a s u r e d ， i no r d e rt os e ec h e c ka b o u tt h ei n t e l l i g e n td e g r e e ， l i n e a r i t y ，r e p e t i t i o n ，c r e e p ，a n ds t a b i l i t ya n ds oo n t h e nw e u s ei tt oi n s p e c tt h e c r e e po fc o n c r e t ei nc h o n g q i n gc h a ot i a n m e nc h a n g i i a n gb r i d g ea n dc h o n g q i n g c a iy u a n b ac h a n g i i a n gb r i d g e 4 a c c o r d i n gt ot h es t r e s s r e s i s t a n c ec h a r a c t e ro fi n t e l l e c t i v el a y e r ，w ed e d u c e t h es t r e s s r e s i s t a n c em o d u l u sm a t r i xi nt h es i t u a t i o no ft w o d i m e n s i o ns t r e s s f i r s t l y ， t h eb a s i cf o r m u l at h r o u i 曲m e c h a n i c a n a l y s i s i s p r e d i g e s t e d t oo b t a i nt h e s t r e s s r e s i s t a n c em o d u l u si nt h es t a t eo ft w o d i m e n s i o ns t r e s s ；e a c he l e m e n to f m a t r i xt h e ni sc o n f i r m e d b ye x p e r i m e n t k e yw o r d s ：c a r b o nf i b r em a ta n di t sc o m p o s i t em a t e r i a l ，s e n s o rc h a r a c t e r i s t i c ， p r e s s u r e - r e s i s t a n c ee f f e c t ，e l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h y i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： 武汉理r 大学硕士学位论文 第1 章引言 重大工程结构，诸如跨江跨海的超大跨桥梁、用于大型体育赛事的超大跨 空间结构、代表现代城市象征的超高层建筑、开发江河能源的大型水利工程、 用于海洋油气资源开发的大型海洋平台结构以及核电站建筑等，它们的使用期 长大几十年、甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和载荷的长期效应、疲劳效应 等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减， 从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下引发灾难性的 突发事故。因此，为了保障结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，已建成 使用的许多重大工程结构和基础设施急需采用有效的手段监测和评定其安全状 况、修复和控制损伤。新建的大型结构的基础设施总结以往的经验和教训，也 在工程建设的同时增设长期的健康监测系统和损伤控制系统，以监测结构的服 役安全状况，并为研究结构服役期间的损伤演化规律提供有效的、直接的方法。 结构健康监测已经成为世界范围内土木工程领域的前沿研究方向。 我国正处于大规模土土木工程和基础设施建设时期，许多世界瞩目的重大工 程与基础设施已经建成或正在规划建设之中，如已经建成的三峡工程、正在建 设的苏通大桥、渤海海域多座海洋平台和海底管线、2 0 0 8 年奥运会场馆等。我 国政府、研究人员与工程技术人员十分重视这些重大工程结构长期服役期间的 安全状况以便避免重大事故的发生。同时，我国重大工程建设和安全运行的需 求也为重大工程结构健康监测系统的研究、开发与应用提供了广阔的平台和i ；i 所未有的机遇。 。 随着智能材料及传感技术的发展，人们对重大混凝土工程的安全服役特性 进行诊断与监控已成为可能“1 。但是，对于一些大型的所处环境复杂的结构，目 前尚难以利用监测系统获得的信息来正确诊断结构的损伤或健康状态。其关键 原因之一为采集信号的离散性、以及测点数的不足和评价指标的欠敏感性导致 的评判结果失真啷。因此，对于重大工程结构长期监测，观测数据的完备性、可 靠性、评价指标及诊断方法对损伤的灵敏性是结构识别领域中急需解决的关键 问题。鉴于上述情况，当前对现有及新建的大型土木工程结构，在使用期内进 行结构损伤识别、监测与评估的技术方法研究，正日益成为土木工程领域内一 个重要的研究课题。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 混凝土结构健康检测( s l i m ) 系统 随着经济的发展和人们生活水平的提高，人们越来越重视各种建筑结构以 及生命线工程结构在它们的使用寿命之内的安全性。重大工程结构，如水坝、 桥梁、公路、军事设施、高层建筑等，在遭受地震、洪水、飓风、爆炸等自然 或人为灾害时一旦出现安全问题，将严重影响人民生命和财产的安全。因此实 时监测这些结构在长期超负荷运作和不利荷载作用下的安全性以及在重大自然 灾害( 比如地震) 发生后立即评估结构的安全状况，及时发现和估计结构内部损 伤的位置和程度，预测结构的性能变化和剩余寿命并做出维护决定，合理疏散 居民，对提高工程结构的运营效率，保障人民生命财产安全具有极其重大的意 义。由于不可抗拒的环境因素的影响，通常设计和制造一个失效概率为零的结 构是不可能的，也是不切合实际的。然而，重大工程结构的使用期长达几十年、 甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等 灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从 而抵抗自然灾害甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下引发灾难性的突发 事故。因而，结构的健康监测技术成为当前国内外研究的热点问题。 结构的健康监测( s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g ，简称s h m ) 是指利用传感 器和计算机系统实现对在役结构的工作状态和可能发生的损伤的检测。为了有 效实现健康监测的目标，一般必须利用由传感器和计算机系统构成的结构健康 监测系统对结构进行长期的在线监测，并有效利用监测信息反演结构的状态， 识别结构中的损伤，s h m 是大型混凝土建筑长期安全运行的必要保证。 健康监测的过程包括：通过一系列传感器得到系统定时取样的动力响应测 量值，从这些测量值中抽取对损伤敏感的特征因子，并对这些特征因子进行统 计分析，从而获得结构当前的健康状况。它与传统的无损检测技术( n o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n ，简称n d e ) 不同，通常n d e 技术运用直接测量确定结 构的物理状态，无需历史记录数据，诊断结果很大程度取决于测量设备的分辨 率和精度。而s h m 技术是根据结构在同一位置上不同时间的测量结果的变化来 识别结构的状态，因此历史数据至关重要。识别的精度依赖于传感器和解释算 法”1 ，因此结构健康监测技术是一个跨学科的综合性技术，它包括工程结构、动 力学、信号处理、传感技术、通讯技术、材料学、模式识别等诸多方面的知识。 2 武汉理工大学硕士学位论文 砺玩丽栽 两磊丽萝莱藁i 原始结构健康模型 l 整体性态变量il 数据库l 损伤识别和定位 i 局部性态变量il 数据远程传输i 结构模型修正 l一，-一 传感器监测 数据采集与传输系统 模型修正 健康诊断 结构健康监测系统( s h m ) 图i - i 结构健康监测系统的基本功能模块 在一些经济发达地区，如美国、加拿大、日本、德国等，健康监测系统在 大型桥梁、高层建筑、大型复杂结构、重要历史建筑中得到应用。日本在一栋 大楼上安装了健康监测系统”，该大楼安装有阻尼缓冲板，在经过一次较大规模 的地震后增设f b g 光纤传感器，用以监测结构的完整性和大楼的地震反应，实 测结果表明该系统工作良好。德国在柏林新建的莱特火车站大楼安装健康监测 系统嘲，r o b e r t 等开展了轻轨架空水泥结构的监测，实现了8 个轨段在不同条 件下，如施工时逐渐增加荷载、移动火车载荷作用等的在线监视和结构健康诊 断。在国内，一些重要的工程应用健康监测的实例日渐增多，如香港的青马大 桥、汲水门大桥和汀九大桥、上海徐浦大桥以及江阴长江大桥等。安装在工程 结构上的监测系统，主要由各种传感器构成，用以采集埋设部位的物理力学参 量，包括应变、变形、荷载、温度等。 整体检测方法通过检测结构的整体特性来评价整个结构的实际状态，主要 有静态检测方法和动态检测方法。 基于静力参数的损伤诊断法是通过给结构施加静力荷载，建立静力平衡方 程，根据实测结果( 静力响应等) 得到静力参数( 包括结构刚度、位移、应变，材 料参数如弹性模量、惯性矩等) 。通常在单元层次上，利用上述参数的残差分析 来识别损伤”1 。s a n a y e i 等。1 较早开展这一领域的研究。他们基于静力试验数据 分别对结构的损伤和刚度进行了识别，并成功地应用于结构单元的未知刚度的 识别嘲。采用静力和动力学相结合的实验方法对结构的损伤进行了识别“，分别 对梁的单裂纹、玻璃纤维复合材料结构损伤进行了计算识别“。 国内同济大学“”基于静载模型试验，能较好地识别结构的损伤，确定结构 当前的刚度参数，并对结构损伤进行精确的定位；华中科技大学提出了一种基 于灰色相关性分析的有特色的结构静力损伤定位方法“”。 静态损伤识别方法通常以结构的挠度或应变进行测量，其中，挠度是结构 3 武汉理t 大学硕士学位论文 的全局效应，对损伤并不敏感：尽管应变量对其所在部位和十分有限邻域的损 伤有敏感性，但稀疏布置的应变传感器对稍远部位的损伤又难以感应。而连续 覆盖的智能复合毡将力场转换为对损伤敏感的电场的检测，因此可望进一步扩 展静态损伤识别的研究思路。 国内外学者“1 普遍认同并致力于研究的无损检测方法是结合系统识别、振 动理论、振动测试技术、信号采集等跨学科技术的模态分析法，已经被广泛应 用在航天、航空以及精密机械结构。但由于结构的损伤而引起的结构的自振频 率的变化很小，振型及阻尼的精确测量比较困难；而应变模态作为损伤观测量 时的敏感性优于位移模态及振动频率，因而逐渐受到重视“；特别是结构的运 行模态分析法，是基于仅有输出( 响应) 模态试验的运行模态分析方法，无须人 工激励，自然激励下可以识别近频甚至重频模态“”。但对于现场应变测量，传 统结构传感器如应变计会受到一定制约，例如，结构测试传感器只能布置在有 限的位置上，特别是对于大型结构，传感器的数量就更为稀疏，这样造成了观 测数据的不完备性；另外，桥梁损伤具有局部应力集中，稍远区域应力恢复正 常的特点，只能作“点”式测量的应变计需要预知损伤部位才能检测损伤，在 大型结构上很不方便；其蠕变、老化及温度变化也会影响长期检测的可靠性。 用分布式光纤应变计可以直接检测光纤布置区域任一点的应力应变变化，避免 了应变片单点测量的局限性。但迄今为止，由于维护困难、测试系统复杂及价 格昂贵，使其运用受到一定的限制。 鉴于静态检测方法和动态检测方法各自的优越性，本课题通过碳纤维智能 复合毡的功能特性与导电性能，开展结构监测新方法的基础研究。 1 2 智能传感器发展动态 结构健康监测系统的一个重要方面就是如何精确的检测到结构所承受的载 荷，目| j 处在一个什么样的环境中等重要参数，实现这个功能主要是高精度传 感器的应用。 传感器( s e n s o r ) 是一种能将特定的被测量信息( 包括物理量、化学量、 生物量等) 按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。“可用信号”是 指便于处理、传输的信号。当今电信号最易于处理和便于传输，因此，可把传 感器狭义地定义为：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。 传感一般是利用物理、化学和生物等学科的某些效应或机理按照一定的工 艺和结构研制出来的。因此，传感器组成的细节有较大差异，但是，总的来说， 4 武汉理工大学硕士学位论文 传感器应由敏感元件、转换元件和其他辅助部件组成，如图卜2 所示。敏感元 件是指传感器中能直接感受( 或晌应) 与检出被测对象的待测信息( 非电量) 的部 分，转换元件是指传感器中能将敏感元件所感受( 或响应) 出的信息直接转换成 电信号的部分。例如，应变式压力传感器是由弹性膜片和电阻应变片组成。其 中弹性膜片就是敏感元件，它能将压力转换成弹性膜片的应变( 形变) ；弹性膜 片的应变施加在电阻应变片上，它能将应变量转换成电阻的变化量，电阻应变 片就是转换元件。 被测信号 ( 物理量等) 电量 图卜2传感器组成框图 应该指出的是，并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件。如 果敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件，因此，敏感元件和转 换元件两者合一的传感器是很多的。例如、压电晶体、热电偶、热敏电阻、光 电器件等都是这种形式的传感器。 以下将介绍有关混凝土智能结构中新的传感器技术及其应用。 1 压电材料元件传感原理及应用 压电材料具有正负压电效应，受载荷作用时，压电材料两电极上将产生极 性相反的束缚电荷，且电荷的密度d 与外界约束力或变形成正比。利用其正压 电效应可以研制各种传感器，其原理矩阵方程为 d = e8 e + e 8 ( 卜1 ) 式中e 、分别为压电材料的压电应力常数矩阵及应变为零时的介电常数 矩阵。 压电陶瓷材料作为传感元件，具有很高的灵敏度、良好的线性响应特性和 相当宽的频响范围。在自诊断、自适应智能结构中，埋入压电陶瓷元件阵列可 监测断裂( 或承受冲击) 时的声发射信号和结构在动态激励下的响应。压电陶瓷 的机械特征与混凝土的机械特征较近，这必将在对土木工程的结构进行综合诊 断、安全评估等工作中发挥特定的作用。 2 土木工程中的光导纤维传感元件 武汉理工大学硕士学位论文 光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 是光纤纤芯折射率受到永久的周 期性微扰而形成的一种光纤无源器件，它能将入射光中某一特定波长的光部分 或全部反射。 在f b g 中，反射中心波长( 布拉格波长) a 可由下式确定： a 一2 力a ( 1 2 ) 式中：雄是f b g 芯区的有效折射率；a 为f b g 的栅距周期。 通过拉伸和压缩光纤光栅，或者改变温度可以达到改变光纤光栅的周期和 有效折射率从而达到改变光纤光栅的反射波长的目的。反射波长和应变、温度、 压力物理量成线性关系，根据这些特性，可将光纤光栅制作成应变、温度、压 力、加速度等多种传感器。 光导纤维( 简称光纤) 一般用来传输通迅信息且具有以下的特点： 尺寸小，重量轻( x 4 被测构件影响较小) ； 光纤可对任何导致光纤中光信号( 相位、偏光性、频率、波长及光强) 变 化的物理量( 温度、应变、压力等多种参数) 进行测量； 频带宽( 从静态到高频) ； 不受电磁干扰等优点。 在对混凝土结构监测、监控的过程中，光纤必须与宿主构件有效地结合方 可使用。埋入式光纤传感器在混凝土结构中的应用，包括了混凝土在养护期的 热应变及温度检测、结构内部应变检测和振动测量以及裂缝检测等方面。它提 供了对土建结构智能及内部状态进行实时、在线无损检测的手段，有利于结构 的安全监测和整体性评价及维护，也有利于对结构设计进行准确评价以及结构 的重新设计和相似设计。 3 形状记忆合金传感元件 形状记忆合金s 姒( s h a r pm e m o r ya 1 l o y ) 就是指具有形状记忆效应的合金。 典型的材料为n i - t i 合金，除此之外还有铜基、铁基s m a l s m a 在经受较大变形( 一 般最大可达到6 8 ) 以后，在一定温度和应力条件下变形消失，合金可以恢复 到初始形状。 将常温为马氏体状态的s m a 粘贴或预埋在构件易产生裂纹或应力集中较大 的地方。当构件产生裂纹和损伤时，将s m a 丝及其传感网络阵作为传感元件， 被检测到的信号再由特定的检测电路传递给微处理器，并依据其特性曲线，实 现对构件的损伤状况和裂纹大小自监测功能( 自诊断) 。再辅之于其他手段，如 s m a 的记忆特性和恰当的热触发就可以抑制裂纹扩展，甚至能减小裂纹( 自修 6 武汉理工大学硕十学位论文 复) 。 4 电阻应变丝传感元件 电阻应变丝埋入复合材料结构中后，随着结构的变形，电阻应变丝阻值将 产生变化。采用电阻应变丝埋入复合材料结构内部，根据受力分析的情况组成 传感网络阵列，由于丝和宿主材料胶合，性能较稳定，而且形状、面积可以根 据需要确定。应用模式识别或人工神经网络的方法，就可以测量结构内部场应 变。 在智能材料结构中应用电阻应变丝测量应变的主要优点是： ( 1 ) 性能稳定，很容易研制成与结构材料相配合的丝材，这种丝材仅受应变 影响； ( 2 ) 对宿主材料强度影响很小； ( 3 ) 相配合的仪表很成熟，很容易与计算机及其他设备兼容。 5 电脉冲时域反射( e t d r ) e t d r ( e l e c t r i ct i m ed o m a i nr e f l e c t o m e tr y ) 最初应用是在电力系统输 电线路故障点查找方面，它利用传输线上阻抗不连续点造成的反射回波到达时 刻和波形来确定这些不连续点位置。原理近似于一维弹性杆反射波故障诊断法。 美国d o w d i n g 等人将其引入土木工程领域，采用同轴传输线和e t d r 技术对大坝 水压和岩石移位进行监测。基于该原理，在智能结构中可利用原先存在或预埋 的传输线结构实现损伤的在线控制。这一方法的优点在两个方面： ( i ) 传感器是一种连续的开放结构，它可监测介于两根传输线之间的一个较 大的区域，尤其适于监测对材料参数的变化； ( 2 ) 用脉冲反射定位，对损伤定位能力较强。 6 碳纤维传感原理及应用 在一定条件下将聚合纤维燃烧，可得到具有接近于完整分子结构的碳长链， 这就是碳纤维。碳纤维c f ( c a r b o nf i b e r ) 是6 0 年代发展起来的一种高强、高模、 质轻、耐高温且耐腐蚀的导电性能良好的纤维状碳材料，其接触电阻会随着压 力的变化而连续变化，利用该特性可以制成智能结构中的压力传感元件和应变 传感元件及温度传感元件；将长度不同的c f 并在起，套在管状或带状套筒内 保护起来，安装有这种传感器的结构变形时，随着变形量大小，不同长度的c f 依次切断，通过测定电阻值可知已断c f 纤维数量，从而测定变形的大小。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 国内外智能层研究现状 1 3 1 关于离散型智能层 智能夹层“”是目前可以进行结构局部场域监测的智能材料器件，这是一种 在有限区域内由密集的点式智能器件组成的离散型的智能层。其相关的研究可 追溯到9 0 年代初“”，这类智能层经过多年的研究发展，逐步在航空航天结构及 复合材料结构上得到应用。这类智能层主要由压电、光纤光栅、形状记忆合金 等材料组成。在制作时，采用电子工业中的印刷和蚀刻工艺，把一个分布式传 感器网络预先复合到一片绝缘载体膜上形成薄层，再结合相应的信号控制和处 理软件，形成智能夹层或智能夹层技术。 这种技术得到一定的发展应用：压电光纤智能层”1 ，是在绝缘夹层间布置 一定数量的微型压电材料和光纤传感器所组成的；研究一种由嵌入式和表面安 装的压电材料组成的智能层在受拉和疲劳加载实验下的耐久性o “；用若干压电 陶瓷分布的条状智能层对复合材料火箭发动机或燃气罐结构进行损伤监测，该 智能层特殊之处在于将智能层嵌到由纤维缠绕成的结构中，结合信号处理和图 像方法长期检测对象的冲击损伤”1 。 这类离散型智能层主要优点是：测“点”的物理信息明确；“点”在场内的 几何位置事先确定；点与点之间的测量信息进行比较时，可滤掉不必要的噪声 干扰。但也存在一定的问题，例如：不能得到直接的“场”域信息，其更大范 围的信息仍有待反演推断；尤其当测“点”不够充分时，“场”域信息往往具有 不确定性。另外一个重要的制约因素是制作成本较高，在混凝土结构中应用具 有一定难度。 1 3 2 水泥基碳纤维复合材料 水泥基碳纤维复合材料又称机敏混凝土。1 ( s m a r t c o n c r e t e ) ，是一种由水泥、 碳纤维、以及微细添加粉等组成的智能复合材料。美国c h u n g 教授。”及其课题 组首先发现了其由于变形而引起电阻变化的一种功能，简称压敏性；由此诞生 t 土( c f r q 1 ，其中对拉应变的灵敏系数可达到7 0 0 ，是一般箔式电阻 应变计的3 0 0 多倍。 本课题组在国内较早开展碳纤维机敏混凝土的研究1 ，发现了在弹性范围 内碳纤维混凝土的电阻是可逆的，而在弹塑性范围内或开裂后，其电阻是不可 逆的。因此根据碳纤维混凝土的电阻变化规律就可以预测其自身的损伤状况。 武汉理_ 大学硕士学位论文 基于碳纤维混凝土材料的压力机敏性，通过埋入两对不锈钢电极以监测其局部 压应力，研究了c f r c 梁构件在弯曲静载作用下( 局部) 弹性应力自监测的规 律凹1 。在受弯曲的混凝土梁结构的受拉面构造一定厚度的碳纤维增强混凝土智 能层，对该梁实时监测电阻变化率，对结构的实时荷载和( 平均) 变形程度进 行预报1 。研究了混凝土梁的上下表面铺设碳纤维增强层进行变形和温度监测 问题。1 ，成功地进行了其压敏效应和温敏效应的解耦。 在碳纤维机敏混凝土基础上，保持组分材料基本相同，采用不同的制作工 艺，研究开发了一种易于在混凝土结构任意表面覆盖的水泥基碳纤维复合材料 智能层，简称碳纤维智能层。并在静载下结构的单向受拉、压的测试中，甚 至在= 1 h z 的长期循环加载下，其电阻率对结构作用力表现了相当稳定的敏感性； 此外，实验表明：碳纤维智能层与原碳纤维机敏混凝土一样具有力、电、热的 耦合效应m “。 1 3 2 1 机敏混凝土导电性 混凝土具有导电性将在电工、电子、电磁干扰屏蔽、工业防静电、电加热 器、接地工程和钢筋阴极保护等方面发挥重要作用。普通水泥混凝土的电阻率 大，导电能力弱，在混凝土中掺入碳纤维可显著改善其导电性能。张跃等研究 了碳纤维无宏观缺陷水泥基复合材料电学性能，认为复合导电材料的导电机制 是隧道模型，即靠电子通过分散在基体中的导电材料形成网络，并通过隧道效 应连通网络之间的绝缘间隔而进行传导。“。水中和等人发现机敏混凝土存在电 导渗滤现象o “：当碳纤维掺量达到某一临界值( 渗滤阈值) 时电阻率急剧减小，在 超过i 临界值后，随掺量的进一步增加，机敏混凝土电阻率的减小趋于平缓。关 于机敏混凝士导电载流子类型，很多研究者认为是电子导电和离子导电，前者 是指碳纤维内离域的n 电子沿纤维网络进行传导，后者是指水泥石液相水中的 c a z + 、n a + 、k + 、o h 、s 0 4 2 + 等离子在外加电场作用下产生定向移动而导电。“。 李卓球等研究后认为除了离子导电和电子导电之外，还存在空穴导电，并且空 穴导电是主要的导电形式。文献”“3 还研究了极化效应和外加剂对机敏混凝土 导电性能的影响。实验表明：极化效应对机敏混凝土导电性有不可忽视的影响， 调整碳纤维含量，可以控制极化效应，随着养护龄期延长，极化效应明显减小 了，掺外加剂有促进纤维分散的功效，可改善机敏混凝土的导电性。 1 , 3 2 2 机敏混凝土温敏性 张跃等研究了无宏观缺陷( m d f ：m a c r o d e f e c t f r e e ) 碳纤维水泥基复合材料 9 武汉理工大学硕士学位论文 的电阻一温度特性，在1 0 0 2 7 5 k 范围内电阻率随温度升高而下降，2 7 5 k 以后 电阻率随温度升高而上升啪1 ；d d lc h u n g 等在1 9 9 9 年研究发现机敏混凝土的 电阻率随温度升高而减小、随温度降低而增大。“；s w e n ( 2 0 0 0 ) 、李卓球( 2 0 0 1 ) 等用作温度传感器的角度对这一现象进行了研究m “1 。f a r h a dr e z a 等2 0 0 1 年研 究了温度对碳纤维水泥体积电阻率的影响，唐祖全等2 0 0 2 年对机敏混凝土的电 阻一温度特性进行了详细研究：在纤维掺量小于0 6 时，机敏混凝土电阻对温 度变化很敏感，且随纤维含量的增加，机敏混凝土电阻温敏性的稳定性提高： 含0 5 和0 6 纤维的机敏混凝土同时具有较高的敏感性和稳定性；当纤维含量 超过0 8 时，机敏混凝土没有明显的温敏性“。 1 3 2 3 机敏混凝土压敏- 性“3 1 自1 9 9 3 年至今，美国纽约州立大学的d d lc h u n g 教授在这方面做了大量 的工作。他们研究了短切碳纤维和连续机敏混凝土( 沥青基碳纤维的掺1 4 , 于水 泥重量的1 1 在拉、压作用下体积电阻率的变化规律，说明体积电阻率的变化与 材料内部裂纹的闭合与扩展及碳纤维水泥界面削弱等有关。从而可利用机敏混 凝土实现应力应变和损伤自诊断等“”。 沈大荣、李卓球、毛起熠等在1 9 9 6 年发现了机敏混凝土存在着三个自诊断 区域特性：安全区、损伤区和破坏区，表明机敏混凝土能感知自身从弹性阶段 到破坏阶段的演变全过程。在此基础上，研究了压敏性与碳纤维掺量、工艺制 度等的关系，并揭示了机敏混凝土中的弹性体、初始空隙与缝隙、受压过程产 生的新损伤和裂纹等对其导电网络结构的影响规律，建立了力一电阻关系模型。 同时也指出了机敏混凝土在压力和温度作用下，都会引起电阻率的变化“1 。 并研究了极化效应对机敏混凝土稳定性的影响。韩宝国等通过正交试验验研究 了分散剂、消泡剂和水灰比对碳纤维水泥浆扩展度和水泥石导电性的影响，指 出6 m m 长碳纤维的渗流l 临界体积率在0 2 7 8 左右，而3 m m 长碳纤维的渗流临 界体积率在0 5 4 左右；一次压载至破坏前，复合有0 1 8 到o 5 碳纤维的水 泥石的电阻率具有1 7 到3 5 左右的线性降低趋势，且处于渗流区的变化率大 于处于过渗流区的情况。在压应力作用下，碳纤维掺量为0 1 8 至0 5 的水泥石 的电阻率呈线性降低的趋势，其最大变化率在1 7 3 5 之间，且随纤维掺量的 减少，其数值逐渐增大1 。 另外，郑立霞等人对机敏混凝土的压敏特性也作了系统的研究，他们利用 直流电阻测试法、交流阻抗测试法及电容测试法对压敏性进行了研究；并从结 构层次上对三向受压情况下的压敏性及钢筋锈蚀检测等方面进行了研究“。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 3 混凝土智能层 在碳纤维机敏混凝土基础上，研制了一种碳纤维智能复合毡，其中各纤维 互相搭接形成导电网络，无须分散。实验表明，在静载下结构的单向受拉、压 的测试中，以及在小于1 h z 的长期循环加载下，其电阻率对结构作用力表现了 相当稳定的敏感性。智能复合毡是本课题组近期在短切碳纤维混凝土研究的基 础上研制的一种碳纤维水泥基复合材料，呈薄毡状，其中短切碳纤维含量为 l o g m 2 2 0 9 m 2 。智能复合毡可以预制成型，碳纤维无需在水泥中分散，且可根 据需要进行微结构设计。 拟将智能复合毡覆盖于混凝土结构表面，形成类似于皮肤的薄膜，利用其 功能特性，将结构的应变或者应力转化为智能复合毡的易于检测的电参数，感 知结构的服役状况，并研究适应于智能复合毡监测的可视化方法。 智能复合毡与传统的传感元件相比，主要区别在于： ( 1 ) 与结构材料( 普通混凝土) 的相容性； ( 2 ) 传感材料的广覆盖性与观测数据的完备性( 区别于离散传感器) ； ( 3 ) 耐久性与经济性。 目前，工程上及科研中研究较多的是智能夹层。智能夹层的提出，将有可 能使检测成为在线、实时、全面的健康监测。这是一种在较小的有限区域内由 相对密集的点式智能器件组成的离散型的智能夹层。这类离散型智能夹层主要 优点是测“点”的物理信息明确；但在混凝土结构中大面积应用时成本过高， 而水泥基智能复合毡正好弥补了这类智能夹层的在混凝土结构应用中的不足。 更重要的是： ( 1 ) 在采用水泥基智能复合毡的基础上，通过其功能特性，可实时感知结 构的动态应变响应，并将这种将动态应变场响应转化为易于检测的电场； ( 2 ) 碳纤维智能复合毡具有良好的电性能，可利用电阻率层析成像方法， 使监测结果图像化、可视化。 武汉理1 = 大学硕十学位论文 1 4 本文主要研究内容 本文在国家自然科学基金重点项目机敏混凝土及其结构( 项目编号： 5 0 2 3 8 0 4 0 ) 和国家自然科学基金面上项目碳纤维智能层的多场耦合机理及其 场域诊( 项目编号：1 0 6 7 2 1 2 8 ) 的资助下，以混凝土结构的健康监测为目的， 设计制作了碳纤维智能层，用于感知结构的变形和损伤，围绕相关问题进行了 初步的理论分析及大量的实验研究。 具体研究内容如下： 首先，设计碳纤维毡拉伸试样，将制作好的拉伸试样进行实验，包括单调 拉伸、等幅循环和增幅循环拉伸等实验；考虑到温度效应，制作一批材料一致、 尺寸相同的材料进行温度实验；分别在光学显微镜和扫描电镜下观察碳纤维毡 的内部结构。 其次，设计并制作树脂基碳纤维毡复合材料，它是一种智能夹层，可以利 用其应变一电阻敏感来监测结构变形；并通过实验的手段来测量其作为传感器 的静态、动态特性。考察在温度变化下，其电阻随温度变化的效应。最后应用 在工程实际( 辅助) 测量。 然后，设计并制作水泥基碳纤维毡复合材料，通过实验手段来测量其作为 传感器的静态、动态特性。将水泥基智能层铺制到混凝土梁上，研究其电阻变 化同挠度之间的关系，在梁上下两端分别贴上应变片，比较智能层某一段电阻 与对应段平均应变的关系。 最后，建立碳纤维毡智能层的理论模型，拟采用力阻效应来分析智能层， 推导二维应力情况下的力阻系数矩阵。通过实验的方法求解出力阻系数矩阵中 每一项的值。 通过以上实验研究，主要的目的是探究碳纤维毡的传感机理，在掌握其传 感原理的基础上，将碳纤维毡铺入到水泥、树脂等制成复合材料。结合实际工 程需要，在混凝土梁上下表面制作智能层，用以监测混凝土结构的应力与变形。 1 2 武汉理i = 大学硕士学位论文 2 1 前言 第2 章碳纤维毡传感特性研究 碳纤维是先进复合材料中最重要的增强材料之一，由于具有高强度、高比 模量、优异的热物理性能、化学稳定性、阻尼减震降噪性等优良性能l ”，世界 各国对发展碳纤维都给予了高度的重视。碳纤维及其复合材料已广泛用于航天、 航空、体育休闲和工业领域。 采用碳纤维制作成的碳纤维毡具有比重轻、纤维强度和模量高、不易被腐 蚀且导电等许多优良物理和化学性斛5 0 l 。可同树脂、金属、陶瓷、水泥等基体 构成各种复合材料，广泛应用于航空航天、化学、建筑、医学器材、体育娱乐 用品等领域。作为导体可作为静电除雾器、静电屏蔽、天线、电极等材料；利 用其电阻可调且耐高温、通电不发光而产生远红外辐射、热效率高等性能做成 取暖画、保温防冻体、墙体发热取暖等材料；利用其高强度、质量轻可用于航 空航天构件、医学仪器、体育器材等，但作为传感元件还鲜见报道。 碳纤维毡具有电阻材料特征，影响其电导率的主要因素有：纤维接触数目、 犊触电阻、间隙大小和网络形成等因素。碳纤维毡导电网络已经形成，此时接 触数目大，整个电阻变化比较平稳。我们从影响其电导率的因素来分析碳纤维 毡电阻随变形所发生的变化，给碳纤维毡旋加单调与循环载荷，研究其变形与 电阻之间的变化规律，探究碳纤维毡的传感机理。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 碳纤维毡传感特j 生实验研究 2 2 1 实验材料及其性能 1 碳纤维毡材料 实验采用的是河南省开封鹏远玻璃纤维制品有限公司生产的p a n 基碳纤维 毡，( 其主要技术参数如表2 1 ) 。本文所用碳纤维毡均为p a n 基碳纤维毡。 表2 1碳纤维毡的技术参数 名称指标 单位面积质量( g m 2 ) 1 0 纵向拉伸强度( n 5 0 m m ) = 1 5 纤维直径( 口m )7 0 2 2 含胶率( ) 6 1 2 含水率( ) - - 0 5 纤维密度( k g m 3 ) 7 5 单纤维模量( g p a ) 2 0 7 2 电极及导线 电极：将现有导线拨开，每六股铜丝搓成一条制成电极，并在电极外面镀 上锌，防止长期放置在空气中被氧化。 导线：普通多股铜芯线。 2 2 2 实验仪器、设备型号及性能 i n s t r o n5 8 4 8 微型材料试验机 载荷范围：2 k n 测试精度：0 0 5 刎位移行程：1 0 0 r a m 测试精度：l n m应变范围：5 + 5 ( 5 0 r a m 标距) 测试精度：0 1 9 e k e i t h l e y2 4 0 0 可编程数字电源 0 0 1 2 的准确度5 位分辨率 k e i t h l e y2 7 0 0 多通道数据采集仪 6 位分辨率2 0 0 路差分输入( 3 0 0 v 隔离) 2 2 3 碳纤维毡试样制作工艺 将碳纤维毡裁剪成2 0 m m 1 6 0 m m 的矩形薄片，因碳纤维毡很薄，容易变形 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 折断，先将碳纤维毡的两端用5 0 2 胶固定在一张3 0 r a m x1 6 0 m m 的中空长方形纸条 上，以便于对试样进行操作。按图2 1 所示的尺寸分别将a 、b 、c 、d 四个电极 用导电银胶粘贴于碳纤维毡表面作为电极，1 2 h 后银胶完全固化，采用银胶粘能 降低自制电极与碳纤维粘结处的接触电阻。对电极须进行镀锡处理，防止电极 长期放置在空气中被氧化。制成如图2 1 所示的试样，整个制样过程中要防止碳 纤维毡被折或被扭。 2 2 4 实验方法 图2 1碳纤维毡拉伸试样图 因碳纤维毡的电阻较小，实验采用四电极法来测量碳纤维毡电阻，