（固体力学专业论文）树脂基碳纤维智能引伸计传感特性研究.pdf

分类号 u d c 武多凄理歹大署 学位论文 题目挝旦量基丝红维筮丝曼i 盟盐堡盛盐：睦塑寇 英文s e n s i n gc h a r a c t e r i s t i cr e s e a r c ho fp o l y m e r 题目 b a s e dc a r b o nf i b e rsmartextensometer 指导教师 姓名盎望苤职称塾撞学位谴 申请学位级别 4 3 0 0 7 0 亟学科专业名称国堡左堂 论文提交e t 期2 q ! ! 生5 月 论文答辩日期2 q ! ! 生鱼旦 学位授予单位盛婆墨王盘堂日期 答辩委员会主席坚盔篮评阅人查童婪 兰垄笠 2 0 11 年5 月 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个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。 研究生( 签名) ：罕鑫监日期：型 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 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：一翌：蓥拉一导师( 签名) ：鐾! 翌差 日期蔓斗 。囊 摘要 本文在国家自然科学基金资助项目基于核安全壳应力监测的复合敏感层传 感机理及成像的资助下，以结构的健康监测与碳纤维智能层的实验测量应用为 目的，将碳纤维复合材料制成独立传感元件，即可直接监测结构的变形，又可应 用于引伸计的实验测量。在课题组相关研究的基础上，对需要研究的问题进行理 论分析，并开展相关实验。 主要成果如下： 1 研制新制作工艺，制作出直线型树脂基碳纤维智能层与u 型树脂基碳纤 维智能层两种试样。 2 制作碳纤维智能层悬臂梁；分别对两种智能悬臂梁进行单调与循环加载 测试，研究其电阻周期变化稳定性和电阻率一应变、电阻率位移、电阻率一力 变化关系；并对两种智能层的灵敏度、线性度、迟滞、重复性与零点漂移等传感 特性进行计算：比较两种智能层的传感特性。实验表明树脂基u 型碳纤维智能层 具有较好的传感特性。 3 研制u 型树脂基碳纤维智能引伸计，并进行相关实验：在实验数据的基 础上分析了如灵敏度、线性度、迟滞、重复性与零点漂移等传感特性，验证树脂 基碳纤维智能引伸计的可行性。 4 计算树脂基碳纤维单侧引伸计在试样受偏一c , , j n 载时的测量误差；对树脂基 碳纤维双侧引伸计进行初步理论计算，简要阐述双侧引伸计的优点，并对其灵 敏度进行推导。 关键词：u 型树脂基碳纤维智能层，引伸计，传感特性，双侧引伸计 a b s t r a c t t h ep a p e rw a ss u p p o r t e db yt h ep r o j e c to f n a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n “t h e m e c h a n i s mo fc o m p o u n ds e n s i t i v es u r f a c ea n di m a g i n gm e t h o do fs t r e s sm o n i t o r i n g f o rn u c l e a rs a f e t ys h e l l s ”，a i m i n ga th e a l t hm o n i t o r i n go fs t r u c t u r e sa n da p p l i c a t i o no f m e a s u r e m e n tf o rp o l y m e r - m a t r i xc a r b o nf i b e rs m a r tl a y e r , w em a d ec a r b o nf i b e r c o m p o s i t e si n t os e l fc o n t a i n e ds e n s o rd e m e n tw h i c hc o u l dm o n i t o rt h ed e f o r m a t i o no f s t r u c t u r e sd i r e c t l ya n da l s oc o u l da p p l yt om e a s u r e m e n tf o re x t e n s o m e t e r b a s e do n t h ep r e v i o u sa n dr e l e v a n tr e s e a r c hw o r ko fo u rw o r kt e a m ，p r o b l e m sw h i c hn e e d e d s t u d y i n gw e r et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e da n dr e l e v a n te x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u t 1 1 1 ep r i m a r yw o r kw e r ea sf o l l o w s ： 1 t h ep a p e rp r o p o s e dan e wt e c h n o l o g i c a lp r o c e s s ，p r o d u c e dt w ot y p e ss a m p l e s w h i c hw e r el i n e a rp o l y m e r - m a t r i xc a r b o nf i b e rs m a r t l a y e r a n d u s h a p e p o l y m e r - m a t r i xc a r b o nf i b e rs m a r tl a y e rb yt h i sm e a l 1 s 2 p u tt h et w ot y p e ss m a r tl a y e ro nt h eb o r o mo fc a n t i l e v e rb e a ma n dw h i c hw e l e c a l l e ds m a r tc a n t i l e v e rb e a m t h r o u g hu n i a x i a l l o a d i n ga n dc y c l i cl o a d i n g e x p e r i m e n tf o rt h et w ot y p es m a r tc a n t i l e v e rb e a m ，i td e t a i l e d l ya n a l y z e dt h es t a b i l i t y o fr e s i s t a n c e s p e r i o dc h a n g e sa n dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nr e s i s t i v i t ya n ds t r a i n , r e s i s t i v i t ya n dd i s p l a c e m e n t , r e s i s t i v i t ya n df o r c e ；t h e n i td e a l e dw i t hs e n s i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h et w op o l y m e r - m a t r i xc a r b o nf i b e rs m a r tl a y e rs u c ha ss e n s i t i v i t y , h y s t e r e s i s ，l i n e a r i t y , r e p e a t a b i l i t ye r r o ra n dz e r os h i f te t c ；f i n a l l 弘c o m p a r i s o na n d a n a l y s i so fs e n s i n gc h a r a c t e r i s t i c sw e r em a d eb e t w e e nl i n e a rp o l y m e r - m a t r i xc a r b o n f i b e rs m a r tl a y e ra n du s h a p ep o l y m e r - m a t r i xc a r b o nf i b e rs m a r tl a y e r t h e e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tu - s h a p ep o l y m e r - m a t r i xc a r b o nf i b e rs m a r tl a y e rh a db e t t e r s e n s i n gc h a r a c t e r i s t i c s 3 p r o d u c e du - s h a p ep o l y m e rb a s e dc a r b o nf i b e rs m a r te x t e n s o m e t e ra n dt h e r e l e v a n te x p e r i m e n t sw e r ed o n e ： b a s eo nt h er e l e v a n te x p e r i m e n t a ld a t a , a n a l y z e d s e n s i n gc h a r a c t e r i s t i c s o ft h eu - s h a p es m a r te x t e n s o m e t e rs u c ha s s e n s i t i v i t y , h y s t e r e s i s ，l i n e a r i t y , r e p e a t a b i l i t ye r r o ra n dz e r os h i f te t c ，v e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo f t h e m e a s u r e m e n t so fe x t e n s o m e t e r 4 i nt h i sp a p e rt h ee r r o ri na p p l i c a t i o nw i t ht h eo n e - s i d ep o l y m e rb a s e dc a r b o n f i b e rs m a r te x t e n s o m e t e rw a sr e v e a l e d ；t h e o r e t i cc a l c u l a t i o nw a sp e r f o r m e df o rt h e t w o - s i d ep o l y m e rb a s e dc a r b o nf i b e rs m a r te x t e n s o m e t e r , b r i e f l yi n t r o d u c e dt h e a d v a n t a g eo ft w o s i d ep o l y m e rb a s e dc a r b o nf i b e r s m a r te x t e n s o m e t e ra n dt h e s e n s i t i v i t yh a db e e nd e d u c e d k e yw o r d s ：u s h a p ep o l y m e r b a s e dc a r b o nf i b e r , e x t e n s o m e t e r , s e i l s i n g c h a r a c t e r i s t i c s ，t w o s i d ee x t e n s o m e t e r i i i 摘要。 目录 a b s t r a c t 第1 章绪论。 1 1 智能材料在传感监测中的应用 1 2 碳纤维智能材料概述 i 1 2 1 水泥基碳纤维智能材料研究现状3 1 2 2 树脂基碳纤维复合材料( c n 心) 研究现状4 1 3 引伸计的研究现状 1 4 本文研究内容 第2 章连续碳纤维智能层的传感特性 2 1 前言。 2 2 导电复合材料的导电机理 1 2 。1 2 1 2 2 2 1 渗滤现象及渗滤阈值。1 2 2 2 2 导电通道学说13 2 2 3 隧道效应学说与电场发射学说1 4 2 3 试样制作 2 4 连续树脂基碳纤维智能层的伏安特性 1 8 2 4 1 直线型树脂基碳纤维智能层伏安特性1 8 2 4 2u 型树脂基碳纤维智能层伏安特性18 2 5 智能悬臂梁测试原理 2 6 智能悬臂梁试验。 1 9 2 6 1 实验准备2l 2 6 2 智能悬臂梁的测试2 l 2 6 3 智能悬臂梁i 的加载试验2 l 2 6 4u 型树脂基碳纤维智能层的加载试验2 5 2 6 5 d 、结2 8 2 7 树脂基碳纤维智能层传感性能及分析2 8 2 7 1 树脂基碳纤维智能层的传感性能2 8 2 7 2 两种树脂基碳纤维智能层传感性能及分析3 3 2 8 本章小结3 4 第3 章树脂基碳纤维智能引伸计传感特性3 5 3 1 典型引伸计工作原理3 5 3 2 树脂基碳纤维智能引伸计结构及测量原理3 6 3 3 树脂基碳纤维智能引伸计的灵敏度推导3 8 3 4 智能引伸计循环拉伸测试的实验准备3 9 3 4 1 实验设备与实验材料准备3 9 3 4 2 智能引伸计测试预处理4 0 3 5 未补偿的u 型树脂基碳纤维智能引伸计拉伸实验4 3 3 5 1 实验准备与过程4 3 3 5 2 按最大加载力2k n 的循环加载4 4 3 5 3 室温下未补偿的u 型智能引伸计传感特性4 5 3 6 补偿的u 型树脂基碳纤维智能引伸计拉伸实验4 8 3 6 1u 型智能层的补偿方法4 8 3 6 2 实验准备与过程4 9 3 6 3 按最大加载力2k n 的循环加载5 0 3 6 4 补偿的u 型智能引伸计传感特性。5 l 3 7 本章小结5 4 第4 章树脂基碳纤维双侧引伸计理论计算。一5 5 4 1 树脂基碳纤维单侧引伸计的测量误差5 5 4 2 树脂基双侧引伸计的测量原理5 6 4 3 树脂基双侧引伸计的灵敏度推导。5 8 4 4 本章小结。5 9 第5 章结论与展望 6 0 5 1 全文总结6 0 5 2 研究前景。6 0 参考文献 致谢 攻读学位期间发表的论文。 6 2 6 6 6 7 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 伴随着中国经济的高速发展，国家和地方投入了大量资金进行了大型基础设 施的建设。由于我国是一个气候条件复杂，自然灾害频发的国家，由地震、水灾、 泥石流等造成的工程灾害，对我国人民的生命财产安全造成了巨大的威胁。此外， 人为因素所造成的工程灾害如施工不良与不当操作造成的结构物之倒塌、灌浆作 业的失败等，也在近年时有所闻。因此，为保证工程安全运行、避免严重事故发 生，对这些重要结构进行健康监测诊断显得日益迫切f l 捌。 结构健康监澳u ( s t m 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 ) 是指利用现场的无损 传感技术，通过包括结构响应在内的结构系统特性分析，达到检测结构损伤或退 化的目的它以科学的监测理论与方法为基础，采用各种适宜的检验、检测手段 获取数据，为工程结构设计方法、计算假定、结构模型分析提供验证；对结构的 主要性能指标和特性进行分析，及早预见、发现和处理工程结构安全隐患和耐久 性缺陷，诊断结构突发和累计损伤发生位置与程度，并对发生后果的可能性进行 判断与预测。通过对工程结构健康状态的监测与评估，为工程在各种气候、交通 条件下和工程运营状况异常时发出预警信号，为工程维护、维修与管理措施提供 依据，并通过及时采取措施达到防止工程坍塌、局部破坏，保障和延长工程的使 用寿命的目的。 结构健康监测技术大致经历了三个发展阶段：第一阶段以结构监测领域专家 的感官和专业经验为基础，对诊断信息只能作简单的数据处理。第二阶段以传感 器技术和动态测试技术为手段，以信号处理和建模为基础，在工程中得到了广泛 的应用，近年来，为了满足大型复杂结构的健康诊断要求，进入了以知识处理为 核心，数据处理、信号处理与知识处理相融合的智能发展阶段。 1 1 智能材料在传感监测中的应用 智能材料是近年来迅速发展起来的一类新型复合材料，它是继天然材料、人 造材料、精细材料之后的第四代功能材料。智能材料目前还没有统一的定义，不 过，现有的智能材料的多种定义仍然是大同小异。大体来说，智能材料就是指具 有感知环境( 包括内环境和外环境) 刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一 定的措施进行适度响应的智能特征的材料 4 - 5 1 。 目前流行的传感器中主要应用的智能材料有以下几种： ( 1 ) 光导纤维 l 武汉理工大学硕士学位论文 光导纤维又称导光纤维，光学纤维，是一种把光能闭合在纤维中而产生导光 作用的纤维。它能将光的明暗、光点的明灭变化等信号从一端传送到另一端。光 导纤维是由两种或两种以上折射率不同的透明材料通过特殊复合技术制成的复 合纤维。它的基本类型是由实际起着导光作用的芯材和能将光能闭合于芯材之中 的皮层构成。采用光导纤维进行通讯，不仅能节省大量的金属资源，而且使用寿 命长，结构紧凑，体积小，性能比电缆好得多，具有容量大、抗干扰性好，能量 衰耗小，传送距离远，重量轻，绝缘性能好，保密性强、成本低等特点。 光导纤维的特性决定了其广阔的应用领域。由光导纤维制成的各种光导线、 光导杆和光导纤维面板等，广泛地应用在工业，国防，交通，通讯、医学和宇航 等领域。 光导纤维也存在一些不足之处：一是耐热性能差，一般只能在8 0 以下长 期使用，只有少数产品可在1 3 5 以上的温度中工作；二是耐溶剂、耐老化性能 差，化学试剂、氧、光，高能辐射等会引起分子主链断裂。 ( 2 ) 形状记忆合金 1 9 6 2 年，美国海军军械实验室在n i - t i 合金中发现了“形状记忆效应 用 这种合金丝制成弹簧加热到1 5 0 再冷却，随后拉直把被拉直的合金丝再加热 到9 5 时，它又准确恢复了预设的弹簧形状，因此称为“形状记忆合金一( s h a p e m e m o r ya ll o y ，s m a ) 形状记忆合金在严重变形后恢复原状几乎百分之百，而且 有些合金极耐疲劳，甚至使用数百万次不会断裂。 形状记忆合金的应用范围广泛，除了可用于温度控制装置、集成电路引线、 汽车零件与机械零件外，由于其与生物体的相容性好、耐蚀性强，还可用于骨折 部位的固定、人造心脏零件、牙齿矫正等医用材料。 ( 3 ) 压电材料 压电材料( p i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l ) 是指受到压力作用时会在两端面间出 现电压的晶体材料。1 8 8 0 年，法国物理学家p 居里和j 居里兄弟发现。 目前压电材料可分为三大类：一是压电晶体( 单晶) ，它包括压电石英晶体和 其他压电单晶；二是压电陶瓷( 多晶半导瓷) ；三是新型压电材料，又可分为压 电半导体和有机高分子压电材料两种。 压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种 固有的机一电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材 料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外，还具有自诊断性、自 适应性和自修复性等功能，在未来的飞行器设计中占有重要的地位。 ( 4 ) 电( 磁) 致伸缩材料 磁致伸缩是铁磁物质( 磁性材料) 在外磁场作用下，其尺寸伸长( 或缩短) ， 2 武汉理工大学硕士学位论文 去掉外磁场后，其又恢复原来的长度。 由于磁致伸缩材料可将电磁能( 或电磁信息) 转换成机械能或声能( 或机械 位移信息或声信息) ，也可以将机械能( 或机械位移与信息) 转换成电磁能( 或 电磁信息) ，因此它是重要的能量与信息转换功能材料。它在声纳的水声换能器 技术，电声换能器技术、微位移驱动、减振与防振、减噪与防噪系统、智能机翼、 机器人、自动化技术、阀门、泵等高技术领域有广泛的应用前景。 ( 5 ) 碳纤维及其复合材料 碳纤维复合材料具有良好的力学性能和稳定的化学性能，作为一种功能材料 已被广泛应用于航空航天、土木工程以及人们日常生活中的各个领域呻】。同时， 碳纤维具有良好的温敏和力电效应【9 12 1 ，即可以通过其电阻的变化来感知温度和 力的变化和变形，利用这种效应可以制成如树脂基碳纤维复合材料、碳纤维混凝 土等碳纤维复合材料，从而可以实现结构的智能健康监测或作为独立传感元件应 用于结构的应变、位移等测量领域。 1 2 碳纤维智能材料概述 1 2 - 1 水泥基碳纤维智能材料研究现状 碳纤维是一种高强度、高模量且导电性能良好的材料。在水泥基材料中掺入 适量碳纤维不仅可以显著提高其物理性能，尤其是电学性能也有明显的改善，可 以通过其电阻变化反映自身受力状况和内部的损伤程度。将一定形状、尺寸和掺 量的短切碳纤维掺入到混凝土材料中，可以使混凝土具有自感知内部应力、应变 的功能。 美国d d l c h u n g t ”】教授及其课题组首先发现了水泥基碳纤维复合材料由于 变形而引起电阻变化的现象，并由此提出了机敏混凝土( s m a r tc o n c r e t e ) 的概 念。在他们的研究中发现，碳纤维水泥基复合材料的电阻变化与其内部应力变化 是相对应的，在其受力的弹性阶段，其电阻变化率随内部应力的增加而线性增加； 当加载力接近构件的极限荷载时，电阻大幅度增大：直到临近破坏时，电阻变化 率剧烈增大，从而反映了混凝土内部的应力一应变关系。同时研究发现，通过碳 纤维的表面处理，其拉伸灵敏系数可达到7 0 0 ，压缩灵敏系数可达到5 6 0 ；比常 用的电阻应变片高数百倍。 王秀掣1 4 1 等研究了p a n 基碳纤维水泥的导电性能机理，当水泥基材料中的纤 维掺量达到一定量时，其内部形成了碳纤维的聚集团簇，团簇内的纤维彼此相连， 同时团簇之间的连接形成了渗流网络( p e r c o l a t i o nn e t w o r k ) ，从而使电导率急 剧增大。 3 武汉理工大学硕士学位论文 李卓球【”1 教授等人于1 9 9 8 年最早发现并研究了碳纤维混凝土的热电效应 ( s e e b e c k 效应) ，其热电系数最大值可达1 8 m v k ，相当于铜康铜热电系数的 1 2 ；并研究了碳纤维混凝土热电效应的机理，提出碳纤维混凝土的热电效应由 空穴导电、电子导电和离子导电三部分组成，而且空穴导电起主要作用。 机敏混凝土的电热效应又称为焦耳效应，是指材料在通电流后所产生的热效 应。加拿大的x i ep i n g 、j j b e a u d o i n 16 】等研究了钢纤维水泥复合材料的电热 效应，并在实验室将它用于融雪化冰实验。s u n 和l i 等( 2 0 0 0 ) 提出了利用其 热电效应进行温度自诊断、利用其电热效应进行自调节的机敏混凝土的构想。唐 祖全【，7 】等( 2 0 0 1 ) 研究了导电混凝土融雪化冰，试样为在轻骨料混凝土的基底面 上铺一层碳纤维混凝土，研究表明碳纤维混凝土具有良好的导电性，且发热功率 十分稳定，可用来对混凝土路面、桥面和机场跑道等结构进行融雪化冰。 本课题组朱四荣【鸺l 教授研究了以碳纤维布作为界面层的混凝土及碳纤维混 凝土在剪切荷载及弯曲荷载作用下的界面粘接性能及剪切强度，提出碳纤维混凝 土层间接触电阻的敏感性比素混凝土层间接触电阻对界面粘接及剪应力的敏感 性要好，在低应力作用下，碳纤维混凝土层间接触电阻随应力明显变化。随后在 2 0 0 4 年【1 9 】提出了将碳纤维毡分布在混凝土结构梁的上下表层，研制了集温度传 感与驱动等结构性能和功能特性于一体的碳纤维毡机敏混凝土叠层结构模型，如 图卜1 所示；以输入功率处理为热力学边界条件，建立了机敏混凝土叠层梁电一 热一力耦合问题的数学模型，获得了机敏混凝土梁结构内部温度场、应力场及变 形响应的解析解；并通过实验分析了叠层梁的电热效应和电热响应，结果表明实 验规律与解析解一致。 l 一传感材料l2 一驱动材料l3 一混凝土基体材料 ( 注：传感材料l 和驱动材料2 可以使用同一种材科) 图1 1 智能混凝土叠层结构模型 1 2 2 树脂基碳纤维复合材料( c f r p ) 研究现状 由碳纤维和高性能的树脂基体复合而成的先进树脂基复合材料是目前使用 4 武汉理工大学硕士学位论文 最多，也是最重要的一种结构功能复合材料。这是由其本身的优异性能决定的， 树脂基碳纤维复合材料具有比强度、比模量高，密度小，结构尺寸稳定，耐热、 耐低温及材料性能可设计等优点，其既可以作为结构材料承载又可以作为功能材 料发挥，目前已经广泛应用于航空航天、能源、交通、汽车、海洋、建筑及其它 工业部门。 s c h u l t e 和b a r o n e 2 0 】首先尝试用电阻法对处于拉伸状态下的c f r p 层合板进行 加载和失效分析，他们在样品的两端粘贴电极，拉伸时，通过分析电阻变化判断 层合板的受力与损伤状态。 m k u p k e 等对单向层压c f r p 复合材料进行单向拉伸实验【2 l 】，结果如图1 1 所示。当c f r p 形变小于0 7 时，电阻大小随形变的增大线性增加。当c f r p 形变大于0 7 时，电阻的变化偏离直线，表明一部分弱质纤维开始断裂。当c f r p 形变达到1 2 时，电阻开始显著变大，表明有更多的碳纤维发生断裂并引发了 其它的破坏形式。 图1 1 单向层压c f r p 拉伸时应力应变以及电阻应变曲线 美国纽约州立大学复合材料研究所d d l c h u n g 【t o - 1 2 等对碳纤维环氧树脂基 复合材料在拉、压、弯静载与循环动载下的变化规律进行了大量研究，他们的研 究表明，碳纤维环氧树脂基复合材料有较好的应变传感特性，其灵敏度在1 7 2 4 之间。 日本太阳工业公司应用碳黑填充连续玻璃纤维增强树脂，开发了用碳纤维检 测最大应变的传感器m a s c ( m a x i m u m s t r a i ns e n s o rc o m p o s e do f c a r b o nf i b e r ) , 它可非常简单地测定结构物的最大应变，可用于建筑物、道路、工厂、车辆、飞 机、索道、烟囱等结构的安全诊断 2 2 1 。在建筑物上设置m a s c ，可以测定由不太 大的地震造成建筑物结构的变形量。通过不同地区，不同结构各种资料的统计处 理就可以得出综合判断，使建筑结构设计符合防震要求。 朱四荣1 2 3 1 教授提出一种具有局部搭接结构的树脂基碳纤维智能层，测试其在 单轴拉伸和三点弯曲时的力阻效应，如图l - 4 与1 5 所示。她的研究表明，碳纤 s 武汉理t 大学硕士学位论文 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1 0 4 ，是非搭接连续碳纤维复合材料力阻效应灵敏度的3 4 倍；并提出了树 脂基搭接碳纤维复合材料的电学模型，从理论上证明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、层间剪应变和搭接面积三个方面 解释了层间电阻变化的机制。 图1 _ 4 搭接碳纤维和连续碳纤维附于循环拉伸构件时的力阻效应 嘲静栅洲膨翊妇 kf r a d i o m ld 嘴试趣醢崩晡睫 一m i d - s g 煳幽霸蚰 5 01 0 0l 驹2 2 轴 3 0 0 t i m e l ， f a ) o nt h e 脚i ；0 a 融黜r b 钟 tf r 翟, * i e m lc h m g et nm i s t m z e - 一m k t - 1 1 l md d l e o k m o2 0 0 04 0 0 0 翻艄9 0 q 0 船， 图1 5 搭接碳纤维附于三点弯曲构件表面时的力阻效应 张小玉【2 4 1 针对碳纤维智能层的场域监测，研制了e r t 有限元系统，实现了对 给定场域进行剖分、设置场内电阻率分布、求解e r t 正问题等功能；建立了碳 纤维智能层图像重建模型，利用改进的修正牛顿拉夫逊方法求解e r t 逆问 题，并在此基础上开发了一套具备较强反演功能的e r t 成像系统；对圆板结构 在不同工况，不同载荷下进行模拟实验，将所得数据代入e r t 系统，反演出圆 板结构上碳纤维智能层电阻率分布情况；将树脂基碳纤维智能层铺敷在圆板试样 表面，在不同加载方式下进行e r t 系统成像实验，得到与理论一致的结果。 对于树脂基碳纤维复合材料的微观力阻效应，本课题组也进行了相关的研 究。 郑立霞 2 5 】等研究了碳纤维单丝在拉应力作用下的微观效应，她将碳纤维单丝 用树脂封装，然后通过拉伸树脂基体来研究碳纤维单丝的电阳一应变变化规律。 6 ，g量il耄_譬lil盐ip一墨董k。jf髫譬墨襄童耋廿鼍夏i之 善l，譬懂艺皂量鼍舅。pix 如 抽 擒 “ 6 5 4 3 ： 熬喜釜i!蕴菩lti暑董辫 l、季!i嚣liolp耄暑。iz 5 o s o ， ：。 拍 蝤 潍 ” ”旧”的”哺”加 一 _ 一 谛、煞fl口嚣讳奄基ul錾p童。一霉量甚露王 武汉理工大学硕士学位论文 她的研究表明，连续碳纤维单丝的电阻应变灵敏度约为1 3 8 ，比普通电阻应变片 的灵敏度要小，其原因是在拉应力的作用下碳纤维的电阻率是减小的，这同时也 进一步揭示了碳纤维单丝的应变电阻效应主要是由尺寸效应引起的。 r 。 k l -i 图1 2 碳纤维单丝的电阻变化率一应变曲线 方玺【2 6 】等人进一步研究了多角度偏轴拉伸下的碳纤维单丝的力电效应，测试 了在不同角度拉伸下碳纤维单丝的电阻变化，如图1 3 所示。他们的研究结果表 明，碳纤维单丝在外载荷偏轴拉伸作用下电阻变化与拉伸角度为非线性关系；外 载荷在纤维方向产生的应变对电阻变化率的作用强于垂直纤维方向产生的应变 对电阻变化率的作用；正负力阻效应的临界角度为6 2 。拉伸角。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( e ) 图1 3 不同角度偏轴拉伸下碳纤维电阻与加载曲线( a ) 与单丝呈0 。方向偏轴 循环拉伸；( b ) 与单丝呈3 0 。方向偏轴循环拉伸；( c ) 与单丝呈4 5 。方向偏轴循 环拉伸；( d ) 与单丝呈6 0 。方向偏轴循环拉伸：( e ) 与单丝呈9 0 。方向偏轴循环拉 伸 1 3 引伸计的研究现状 传感器是一个测量装置，它能把被测物理量转换为有确定对应关系的电量输 出，满足信息的记录、显示、传输、处理和控制等要求，传感器是实现自动测量 和控制的首要环节，在工业生产自动化、航空航天、能源交通、土建结构、环境 保护及医疗卫生等领域，各种传感器在检测各种参数方面起到十分重要的作用。 传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路三部分组成，有时还加上辅助 电源，通常可用方框图表示，如图3 1 所示。 物理量敏感元件r 传感元件测量电路电量 一卜伞伞一 l 箍助电源： 图l - 4 传感器组成方框图 敏感元件是传感器的核心元件，它直接感受被测量，并输出与被测量成确定 关系的某一物理量，如各种力敏，光敏，磁敏元件等。 传感元件是转换元件，又称变换器，是将感受的物理量直接转换为电量的器 件。例如电阻应变计、压电晶体。 测量电路是将传感元件输出的电信号输入到测控电路，进行放大、运算、处 理等，以进一步获得便于显示、控制和处理的有用电信号的电路。使用较多的有 电桥电路，还有其他特殊电路。由于传感元件输出的信号一般较小，大多数测量 电路还包括了放大器。 引伸计( e x t e n s o m e t e r ) 是测量构件及其他物体两点之间线变形的一种仪器， 通常由传感器、放大器和记录器三部分组成。传感器既可以直接和被测构件接触， 8 武汉理工大学硕士学位论文 也可以不与被测构件直接接触。构件上被测的两点之间的距离为标距，标距的变 化( 伸长或缩短) 为线变形。构件变形，传感器随着变形，并把这种变形转换为 机械、光、电、声等信息，放大器将传感器输出的微小信号放大。记录器( 或读 数器) 将放大后的信号直接显示或自动记录下来。由于引伸计原理简单，安装方 便，在材料实验测量和工程测试中得到了广泛应用。 引伸计的历史最早可以追溯到1 8 7 9 年，d r c h a r l e sh u s t o n 首先在j o u r n a lo f t h ef r a n k l i ni n s t i t u t e 上发表的论文中描述了自己设计的引伸计，并随后申请了发 明专利。 英国的b a u s c h i n g e r 于1 8 8 4 年发明了径向引伸计，用于检测标准试件径向收 缩变形，如图1 5 所示。这是一种全机械式的引伸计，测量的变形值由人工从引 伸计上的标尺读出，只适应于构件大变形测量，且测量误差较大。 图1 5b a u s c h i n g e r 径向引伸计 进入2 0 世纪，由于电路测量技术的出现，应用于引伸计的传感元件也在飞 速发展，引伸计的测量方法和精度较以往机械式测量有了本质上的飞跃。 早在上世纪3 0 年代末，由美国e s i m m o n s 和a c r u g e 制造出第一批应变计 以后不久，在4 0 年代初( 1 9 4 4 年) 就发明了粘贴式电阻应变传感器。至今已有半 个多世纪的发展历史。其间，几乎每间隔1 0 年就出现一次质的飞跃。 4 0 ，5 0 年代，是传感器早期发展阶段。当时弹性材料、纸基丝式应变计以 及粘结剂均处于发展研究阶段，其性能还不完善。因此，电阻应变式传感器的准 确度、稳定性都不能满足测量技术的要求。 自5 0 年代箔式电阻应变计问世后，应变计的温度特性和粘结剂的力学性能 都得到改善，使传感器的温度影响及蠕变影响有了明显抑制，精度提高了约一个 数量级。 2 0 世纪5 0 年代以来，由于电子计算机技术和材料试验机技术的飞速发展， 出现了各种用途的引伸计【2 ”5 l ，如高温引伸计，断裂力学夹式引伸计，岩石混凝 土沥青引伸计，常温和高温轴向扭转、双轴向、螺栓、胶粘剂、水下使用的专 用引伸计等，与此同时，各种高精密应变仪，计算机通讯接口和多种通道测量技 9 武汉理工大学硕士学位论文 术也进一步提高了其测量精度和拓展了使用范围。 近年来，出现了非接触式视频引伸计，这种引伸计能够以非接触方式配于各 类电子万能试机上及其它类型机上，如图1 - 6 所示。视频引伸计的原理与机械式 引伸计完全不同，所有的机械式引伸计均需要与样品连接，这样才能真实测量材 料的应变，引伸计的输出是由个机械的变形所产生的电信号；视频引伸计不需 要与样品进行接触，引伸计的核心是c c d 元件，利用亚像素法原理测量试样变 形，可以用无接触方式同时测量纵向和横向两个方向的变形量，其测量范围由镜 头焦距决定，配备不同焦距的镜头，可获得各种测量范围的量程。 它有如下的优点： 1 几乎适用于所有材料，可用于一般引伸计不能测量的金属箔、塑料薄膜 等材料变形测量。 2 能够测量整个试验过程中的变形量而自动测量真实应变、断裂伸长率及 总伸长率。 视频引伸计也存在不足，引伸计测量应变的核心是根据试样与标记的光强度 反差，反差越大，引伸计的跟踪越好，由于试样表观与颜色的多样性，给标记的 制作增加了难度。 图1 - 6 视频引伸计测量钢条试样的应变 国外比较知名的产品如美国i n s t r o n 公司，意大利g a l d a b i n i 公司，国 内长春科新试验仪器有限公司首先研制成功了国产的视频引伸计。 尽管引伸计的发展相当迅速，但目前至少仍存在以下的不足：一是引伸计的 传感材料灵敏度较低，影响了其测量精度；二是传感元件制作工艺复杂，成本较 高；三是其测量范围有限，基本属于点式测量。 而碳纤维智能材料具有高灵敏度的力阻效应，可以弥补普通引伸计传感材料 灵敏度低的不足；使用碳纤维智能材料制作传感元件，工艺简单，成本较低；并 1 0 一一 一 武汉理工大学硕士学位论文 且碳纤维智能材料可以任意设置测量范围，既可以进行点式测量，也可以大面积 铺设，提高引伸计的使用范围；而且树脂基碳纤维复合材料可以通过制作工艺改 变其传感特性，相对于传统材料具有传感特性可设计性，进一步拓展了其使用范 围。 1 4 本文研究内容 本文设计了一种新型的引伸计，首次利用树脂基碳纤维智能材料替代传统应 变计，作为引伸计的传感元件，具有灵敏度高，成本低与可设计性等优点。在其 测量试样拉伸( 压缩) 的实验基础上研究了树脂基碳纤维智能引伸计本身的传感 特性。 本文研究内容有如下几个部分： 1 采用新工艺方法制作出两种智能层：直线型碳纤维智能层和u 型碳纤维智能 口 力譬0 2 制作碳纤维智能层悬臂梁，并实验研究了两种类型的智能悬臂梁的力阻传感 特性；进一步探讨了u 型智能悬臂梁的实际应用价值。 3 研制碳纤维智能引伸计并进行力阻传感特性实验与分析，探讨了其在工程测 试中的意义。 4 计算和分析了树脂基碳纤维单侧引伸计在试样受偏心加载时的测量误差；对 树脂基碳纤维双侧引伸计进行初步理论计算，并对其灵敏度进行了推导。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 前言 第2 章连续碳纤维智能层的传感特性 由于碳纤维具有良好的导电性，在拉伸过程中其电阻会随纤维的变形增加 而增加，即在拉应力作用下碳纤维具有良好的应变一电阻效应，大量的研究表明 【3 “3 1 ，树脂基碳纤维复合材料在拉应力作用下也具有良好应变传感特性，可以应 用于结构的健康监测与工程的应变、位移测量等领域。本章主要研究两种结构类 型的连续碳纤维智能层( 直线型智能层与u 型智能层) 在悬臂梁加载时的传感 特性，并探讨了其作为应变式传感器传感元件的可能性。 2 2 导电复合材料的导电机理 到目前为止，国内外学者对聚合物基导电复合材料的导电机理进行了很多研 究，并提出了多种导电通路形成模型和室温导电机理。这里介绍通道导电理论、 隧道效应理论和电场发射学说。 2 2 1 渗滤现象及渗滤阈值 高分子复合材料导电机理非常复杂。大量实验表明，聚合物基导电复合材料 的电阻率一导电填料含量曲线上存在一个狭窄的突变区域。当复合体系中导电填 料的含量到达到这个区域前，体系的导电率增加极少；而当导电填料的含量在很 窄的区域内时，其任何细微变化均会导致电阻率的显著改变，这种现象通常称为 “渗滤 现象，导电填料的临界含量称为“渗滤阀值 在突变区域之后，即使 导电填料含量继续提高，复合材料的电阻率变化甚小。 关于渗滤效应，许多科学家提出了不少理论解释 1 9 6 6 年，g u r l a n ds c h e e r 提出渗滤效应与导电粒子的平均接触数m ( m 表示 一个导电粒子与周围其它粒子相接触的数量) 有关他认为，当聚合物网络中导电 填料达到某种浓度时，渗滤概率即该填料组分成为无穷连续网络之一部分的概率 才不为零，他的计算结果为m 介于1 4 2 1 5 5 之间 b u c c h c 也提出了无限网链理论来解释渗滤