电阻法研究炭纤维树脂基复合材料结构健康监控

电阻法研究炭纤维树脂基复合材料结构健康监控电阻法研究炭纤维树脂基复合材料结构健康监控 第21卷第3期 xx 5月高分子材 科学与工程POLYM ERM ATERIALS SCIENCEAND ENGINEERINGVol 21 No 3Mayxx电阻法研究炭纤维树脂基复合材 结 构健康监控毛亚琴 武德珍 杨小平 京化工大学材 科学与工程学院 京100029 摘要 综述了利用炭纤维树脂基复合材料 简称CFRP 自 身的导电性 采用直流或交流电阻法在线监测CFR P复合材料在各种单 一 循环载荷条件下的电阻变化 将电阻信号与材料微观结构的变化 联系起来 从而对CFRP复合材料进行结构健康监控 使电阻法成为一 种本征智能化自诊断技术 关键词 炭纤维增强树脂基复合材 电阻法 结构健康监测 智能化自 诊断 T B332 A 1000 7555 xx 03 0016 051 前言炭纤维复合材 的体积电阻与其所受外 自身变形及内部 扑演 化 如损伤及其扩展 具有显著的相关性 可以作为一种具有传感特性 和内部结构损伤自诊断的新型机敏材 近 来受到许多研究者的重视 现有的研究工作主要集中于材 特性和机 研究 国内侧重于短切纤维 复合材 的电性能研究 电阻法测试方法的建立以及电阻率 温度 应 关系的研究 1 6 国外利用电阻法对连续纤维增强树脂基 简称 CFRP 层合结构的复合材 进 破坏检测和结构健康监测开展的工作比 较系统深入 7 10 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 当形变达到1 2 时 电阻增大的幅度变大 表明 多的炭纤维发生断裂 并引发了其它的破坏形式 本文主要就CFRP复合材 在各种受Fig 1 The stress electrical resistance strain curveattensile testing ofa unidirectionallaminate 载荷下体积电阻随应 内部损伤所发生 的变化进 了分析总结 以期使电阻法成为CFRP复合材 的一种新的无 损检测技术 2 单向层压CFRP复合材 在各种加载条件下电阻与内部结构变化之间的 关系研究2 1 在单一拉伸条件下Kupke M 等 11 2 2 在循环拉伸条件下 12 Chung D D L 对由环氧树脂作基体的CFRP单向层压复合材 进 循环拉伸实 验 以电阻峰值对循环次数作图 如Fig 2所示 在55 疲劳寿命以后 电阻开始 连续地增加 但并非每一次循环都增加 而是在整个循环过 程中趋于增加 这说明炭纤维发生微小断裂 当达到89 疲劳寿命以后 电阻在每一次循环中都增加 表明炭纤维在 每次循环中都发生断裂 当达到99 9 的疲劳寿命时 电阻连续而迅速增加 表明炭纤维在每次 循环和整个循环过程中对单向层压CFRP复合材 进 单一拉伸实验 结 果如Fig 1所示 Fig 1表明 当形变小于0 7 时 电阻随形变的增大线性增加 这可由R 当形变L S来解释 xx 08 06 修订日期 xx 08 10 基金项目 国家863计划资助项目 xxAA335030 作者简介 毛亚琴 1978 女 硕士 联系人 武德珍 E mail wd z mail buct 第3期毛亚琴等 电阻法研究炭纤维树脂基复合材 结构健康监控都发 生断裂 所以通过追踪整个疲劳过程中的电阻变化 可以在线监测材 发生疲 劳损伤的程度 从而避免致命性的损毁 监测其宏观破坏 实验发现 电阻随应变的增加而增加的幅度与炭纤维的体积分数有关 当炭纤维体积分数较低时 电阻随破坏的产生发生跳跃式变化 当炭 纤维体积分数较大时 电阻随应变的发展渐次变化 这是因为当炭纤维体积分数较低时 导电性主要由外层材 决定 当弯 曲至材 极限性质时 外层首先以脆性方式断裂 从而引起电阻急剧增 大 当炭纤维体积分数较高时 导电性由内层和外层共同决定 当外层 断裂时 电阻主要由内层决定 所以变化 明显 2 4 在循环继扭转弯曲条件下 15 对单向P F GOBIN和Y JAYETFig 2 Variation ofthe peak R R0at theend ofa cyclewiththe percentageof fatiguelife duringtension tension fatiguetestCFRP层压复合材 进 了循环继扭转弯曲实验 并详细研 究其疲劳破坏过程 如Fig 3所示 在第一次循环中 电阻的增加一部分是由于炭纤维的伸长 另一部分 是由于个别弱质纤维的断裂 即使模 并未减小 在循环的卸载过程中 电阻会有所减小 这是因为已断裂的炭纤维通 过在基体中的滑移再次接触 仍能起到导电的作用 当下一次循环加载超过前一次循环的最大载荷时 那些接触点会消失 新的炭纤维又开始断裂 引起电阻进一步增大 尽管电阻随应变的增加并 是线性关系 但是用它的变化来表示微观 破坏比用 学性质的变化来表征破坏 加敏感 Wang X J 等通过溶掉聚合物基质得到单根炭纤维 对单根炭纤维进 同样 的电 学测试 发现其电阻在疲劳过程中的变化与CFRP单向层压复合 材 相似 13 在循环压缩实验中 随着疲劳压缩的进 电阻变化趋势与拉伸实验相 反 所以 无论是循环拉伸 还是循环压缩 都可以利用电阻法对CFRP复合 材 的疲劳 为进 在线监测 2 3 在单一继扭转弯曲条件下 14 Abray J C 等对单向CFRP层压复合材 进 了单调继扭转弯曲实验 并用电阻 法Fig 3 Changes ofthe stress and electrical resistance withthe strainduring firstloading unloading cycle 为了检测在低形变时 单向CFRP层压复合材 微观结构的变化 A brayJ C 等还对这种材 进 了循环继扭转弯曲实验 如Fig 4所示 从图中可以看出 在第一次循环加载 14 卸载过程中 明显观察到四 个发展阶段 当形变小于0 6 时 电阻随形变线性增加 这主要是因为 炭纤维的弹性伸长 第二阶段 形变在0 6 1 75 之间 炭纤维继续 伸长到一定限17高分子材 科学与工程xx 度 部分炭纤维开始断裂 R S关系偏离直线 第三阶段 在卸载过程中 由于炭纤维收缩 电阻有所 降低 第四阶段 电阻迅速降低 这主要是由于断裂的炭纤维在卸载过 程中 通过在基体中的滑移又再次接触形成导电点 通过连续的加载 卸载过程可以发现 每一次加载中电阻随形变的变 化趋势都会与上一次循环中的卸载部分相重合 只有当此次循环加载的最大应 超过了上一次循环加载中的最大应 时 新的炭纤维才开始断裂 引起电阻进一步增加 这种实验结果与高循环应 的实验结果很相近 通过采用 同炭纤维含 的样品进 重复实验 发现低炭纤维含 50 的材 对电阻法探测微损伤比较敏感 高炭纤维体积分数的样品对电 阻法 太敏感 Fig 4 Schematic ofthe differentprocesses ourringloading unloading cyclesbelow thestrain tofailure3 交叠层压CFRP复合材 在各种加载条件下电阻变化与内部结构变化之 间的关系研究3 1 单一继扭转弯曲条件下的研究 16 Abray J C 等对交叠层压CFRP复合材 进 了单调继扭转弯曲实验 并用显微 镜对其微观结构进 观察验证 结果表明 对于 0 90 铺层顺序的交叠层压复合材 电阻先是近似线 性增加 当形变达到0 9 时 电阻增加偏离直线 表明纵向方向上炭纤 维开始断裂 然后 电阻增加幅度变大 这是因为炭纤维的断裂引起炭纤维与基体 间高的剪切应 导致炭纤维与基体脱粘 继而引发了基质裂纹 对于 90 0 铺层顺序的交叠层压复合材 电阻变化趋势基本与 0 90 铺层顺序的材 相似 其破坏最先发生在外层炭纤维体积分数高的区 域 先是炭纤维与基体间的脱粘导致90 方向上的裂纹 并伴随电阻 逐渐增大 模 减小 由于相邻层间强的界面结合 在90 方向上的裂纹尖端处高的应 集 中引起相邻炭纤维的断裂 然后才引发0 方向上基质裂纹的扩展 这 些现象皆可从材 的电镜照片中观察到 对于两种铺层顺序的材 直流电阻的监测都对炭纤维的18断裂比较 敏感 3 2 循环继扭转弯曲条件下的研究Abray J C 等对交叠层压CFRP复合材 采用材 破坏应 的20 为循环应 对 其进 了循环继扭转弯曲实验 16 结果如Fig 5所示 对于 0 90 铺层顺序的层压复合材 在第一次循环中 电阻与形变呈 线性关系 电阻随形变的增大而增加 这主要是由于炭纤维的伸长 由 实验的挠曲角 样品的各项参数以及R L S可以估算这个值的大小 当形变达到0 9 时 电阻增加幅度变大 表示个别炭纤维开始断裂 随着循环次数和应 的增加 电阻增加越来越快 表明越来越多的炭纤 维发生断裂 但在每一次卸载时 电阻都会减小 这是因为断裂的炭纤维通过在基 体中的滑移再次接触 仍能发挥流通电流的作用 在下一次循环的加载部分 愈合的接触点消失 当下一次循环的应变超过上一次循环的最大应变时 新的炭纤维重新 发生断裂 引起电阻进一步增大 因此 测定整个电阻的变化 可以给出微观破坏的信息 从而可以确定 材 安全使用的电阻的临界值 第3期毛亚琴等 电阻法研究炭纤维树脂基复合材 结构健康监控Fig 5 Changes instressandelectrical resistanceas afunction ofthe appliedstrain duringloading unloading cyclesat increasedapplied maximumstrain for 0 90 laminate3 3 循环拉伸条件下的研究Kupke M 等对一 02 902 02 902 铺层顺序的交叠层压CFRP复合材 进 了循 环拉伸实验 其结果表明 随着疲劳过程的进展 材 的正切模 例如硬度 减小 电 阻基本上连续增加 由于样品温度的升高 引起电阻在某些点有所减小 通过温度 电阻关系曲线对其进 校正后 电阻 再出现减小的情况 电阻法对0 方向上炭纤维的断裂敏感度最高 17 Prasse T 等对上述同样铺层顺序的层压复合材 进 循环拉伸实验 并用声发 射的手段加以验证 其结果表明 由于CFRP复合材 中基体的粘弹性 出现的裂纹在卸载时 会出现闭合现象 在下一次循环加载时重新打开 使得R S 电阻 应变 曲线出滞后环 采用光学显微的方法在电阻出现突变的时刻对样品进 分析 发现先 是90 方向上产生裂纹 90 方向上的裂纹发展到一定程度 在裂纹 尖端会诱发0 方向上的基体开裂和0 方向上炭纤维的断裂 用声发射的方法验证 发现在电阻突变的时间点 积累的声发射信号 较强 4 交流电阻法研究CFRP复合材 的结构损伤Abray J C 等采用交流电阻法来测定层压复合材 在整个厚度方向上的电容 和电阻随应变变化的情况 也可以了解到材 内部发生的破坏形式 在形变比较小时 随着形变的增大 电阻线性增加 电容线性减小 随着形变增大到一定值 介电性质出现突变 对于 同材 16 11 最先发生的破坏形式 同 电容减小的原因也 同 但整个厚度方向上电阻的增大都是由于基体开裂引起横向方向上 炭纤维与炭纤维接触程度减小所致 5 电阻法研究CFRP复合材 层间剥离及界面损伤W angX J 等人利用电阻法来测定整个厚度方向上的电阻 以检测层间 剥离对材 疲劳损伤造成的影响 对 0 90 铺层顺序的层压CFRP复合材 进 0 方向上疲劳拉伸实验 其结果显示 当达到疲劳寿命的33 69 987次循环 时 电阻峰值出现 第一次突变 这是因为发生了层间剥离 当达到疲劳寿命的62 时 电 阻增大的幅度急剧上升 说明发生了大面积的层间剥离 以峰值电阻的变化分数作为层间剥离面积的衡 标准 对疲劳循环过 程作图 得到最大剥离面积可达4 3 通常用界面剪切强度来研究层间界面 但是这种技术对界面结构并没 有给出太多的信息指导 例如 相邻层间的直接接触程度 层间残余应 等 通过电阻法可以 详细地了解层间结构 固化压 越高 相邻炭纤维层间的树脂基体越少 炭纤维间的直接接触 程度越高 接触电阻率越小 因而 测定整个厚度方向上的接触电阻率 的大小 就可以了解到层间接触程度的好坏 19 18 6 电阻法的展望现有的研究成果 主要集中在建立电阻信19高分子材 科学与工程xx 克 XIONG Ke 等 京科技大学学报 Journal ofBeijingUinversity ofScience andT echnology xx 6 638 7 守屋一政 等 日本复合材 学会志 2000 4 130 8 T odorakia A 等 日本复合材 学会志 xx 3 137 9 岩崎甲 等 日本复合材 学会志 xx 4 194 10 C hungD D L Smart Mater Struct xx 4 624 11 kupke M SchulteK Schuler R C ompositesScienceand T echnology xx 6 837 12 Chung D DL Materials Science and Engineering 1998 R 22 57 13 Wang XJ Wang SK Chun gD DL Journal ofMate rials Science 1999 34 2703 14 AbrayJ C Bochard S et al Composites Science andT echnolog y 1999 6 925 15 GOBIN PF JAYET Y et al Journal ofSystem Sci ence 2000 11 1351 16 A brayJ C Choi YK et al CompositesScience andTechnology xx 6 855 17 Prasse T Michel F M ookG et al Compos itesSci enceandTechnology xx 6 831 18 Wang XJ Chu ngD DL Polym erComposites 1997 6 692 19 C hungDDL Ad vancedEn gineeringM aterials 2000 12 788 号 变 应 应变 疲劳次数 之间的直接联系 如何通过电阻信号关联 CFRP复合材 在使用过程中损伤的发生 发展甚至破坏 获得各种CFR P复合材 在 同使用环境下的预警值或安全阀值 真正达到安全健康 监控的目的 还需进 大 的实验 积累基础数据 并建立相应的数学模 型或程序 在此基础上 才能实现电阻法对CFRP复合材 进 结构健康监控的目的 参考文献 1 陈耀庭 CHEN Yao ting 周明义 ZHOU Min yi 王国全 W ANGGuo quan 等 塑 科技 Plastics Sci enceandTechn ology 1997 6 4 2 宋国君 SONGGuo jun 王俊霞 W ANGJun xia 孙晋立 SU NJin li 等 青岛大学学报 Journal ofQing dao Univers ity 1997 4 20 3 高峰 GAO Feng 姚穆 YA OM u 霍群 HU OQun li 西 纺织工学院报 Journal ofInsititute ofNorthwest Textile Engineering 1998 2 103 4 杨小平 YANGXiao ping 荣浩鸣 RONGHao min g 曾民 S HENZeng min 等 高科技纤维与应用 Gaokeji Xianwen YuYingyong 2000 3 39 5 王均 W ANGJu n 杨小利 YANG Xiao li 刘东 LIU Dong 等 武汉 工大学学报 Wuh anUn iversi ty ofTechn ology xx 12 5 6 洛心怡 LU OXin yi 王开坤 W ANGKai kun 熊THE DEVELOPMENTOF STRUCTURALHEALTH MONITORINGFORCFRP POSITEBY ELECTRICALRESISTANCE METHODMAO Ya qin WU De