基于電阻法碳布增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料損傷自診斷的研究.pdf

1、碳/環(huán)氧復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐熱性、耐腐蝕性、耐疲勞性,在航空航天、武器裝備、國(guó)民經(jīng)濟(jì)等方面有較廣泛的應(yīng)用。由于碳纖維有良好的導(dǎo)電性,在較高碳纖維含量的碳/環(huán)氧復(fù)合材料中碳纖維之間相互接觸,形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)受到外力作用時(shí),復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化,引起導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的變化,進(jìn)而導(dǎo)致復(fù)合材料電阻產(chǎn)生變化。因此,可以利用碳纖維作為復(fù)合材料外力傳感器,通過(guò)復(fù)合材料電阻變化來(lái)反映其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。
　　 本文選用在航空工業(yè)中廣泛應(yīng)用

2、的G803/5224碳布增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料為原料,按照[0/90]、[0/90/±45]、[±45]鋪層方向,采用模壓成型方法制備了碳纖維體積含量分別為56％、64％的碳/環(huán)氧復(fù)合材料;依據(jù)復(fù)合材料通道導(dǎo)電和隧道效應(yīng)導(dǎo)電的模式,研究了溫度變化對(duì)復(fù)合材料電阻的影響;研究分析了在拉伸、開(kāi)孔拉伸、壓縮、開(kāi)孔壓縮、彎曲、沖擊條件下,復(fù)合材料的電阻隨外力作用的變化規(guī)律,確定了復(fù)合材料損傷診斷依據(jù);在綜合分析沖擊能量、沖擊損傷(超聲F掃描圖)、剩余

3、壓縮強(qiáng)度、電阻變化等指標(biāo)的基礎(chǔ)上,提出了評(píng)價(jià)復(fù)合材料沖擊損傷的新思路;編寫了復(fù)合材料沖擊損傷計(jì)算機(jī)診斷程序,構(gòu)建了由復(fù)合材料、計(jì)算機(jī)、多通道數(shù)據(jù)采集器組成的復(fù)合材料沖擊損傷自診斷系統(tǒng),并通過(guò)試驗(yàn)得到了驗(yàn)證。
　　 (1)在-50℃～160℃溫度范圍,不同規(guī)格復(fù)合材料的電阻均逐漸下降,復(fù)合材料表現(xiàn)出負(fù)溫度系數(shù)效應(yīng)。其中,[±45]8復(fù)合材料電阻下降幅度最大,降幅為9.37％。在(-50～-20)℃、(-20～130)℃、(130～

4、160)℃等不同溫度區(qū)間,隨著溫度升高,復(fù)合材料電阻下降速率并不相同。其中,在(-20～130)℃區(qū)間,復(fù)合材料電阻下降速率最大。
　　 (2)在拉伸、開(kāi)孔拉伸、壓縮、開(kāi)孔壓縮、彎曲試驗(yàn)中,復(fù)合材料的破壞包括環(huán)氧樹(shù)脂的普彈形變、強(qiáng)迫高彈形變、樹(shù)脂裂紋、樹(shù)脂破壞、復(fù)合材料分層、碳纖維斷裂等形式,最終復(fù)合材料被破壞。在試驗(yàn)過(guò)程中,復(fù)合材料中的碳纖維接觸狀況、自由電子數(shù)目會(huì)發(fā)生變化,使得其中的導(dǎo)電通道、隧道導(dǎo)電效應(yīng)產(chǎn)生變化從而引起電阻

5、變化。
　　 (3)在拉伸和開(kāi)孔拉伸試驗(yàn)中,當(dāng)[0/90]、[0/90/±45]復(fù)合材料應(yīng)變大于1.8％,[±45]復(fù)合材料應(yīng)變大于1.27％時(shí),則在復(fù)合材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生拉伸損傷;當(dāng)復(fù)合材料試樣的電阻增幅超過(guò)此時(shí)的電阻增幅時(shí),則可診斷復(fù)合材料試樣中存在損傷。在壓縮試驗(yàn)中,當(dāng)[0/90]7、[0/90]8復(fù)合材料試樣的電阻增幅分別超過(guò)3.6％、2.6％時(shí),則可診斷復(fù)合材料試樣中存在輕微的壓縮損傷:當(dāng)[0/90]7、[0/90]8復(fù)合

6、材料試樣的電阻增幅分別超過(guò)10.2％、3.4％時(shí),則可診斷在復(fù)合材料試樣中存在較嚴(yán)重的壓縮損傷。在彎曲試驗(yàn)中,當(dāng)[0/90]7、[0/90]8復(fù)合材料試樣的電阻增幅分別超過(guò)25.8％、31.3％時(shí),則可診斷復(fù)合材料試樣已經(jīng)斷裂;同時(shí),不能依據(jù)復(fù)合材料電阻變化情況反映復(fù)合材料斷裂之前的狀況。
　　 (4)不同規(guī)格的復(fù)合材料沖擊損傷的能量閾值和損傷容限的沖擊能量閾值也各不相同。小于沖擊損傷能量閾值的沖擊,會(huì)使復(fù)合材料各電極點(diǎn)間電阻變

7、小。大于沖擊損傷能量閾值的沖擊使沖擊點(diǎn)周圍的電極點(diǎn)電阻上升。在相同能量沖擊下,不同電極點(diǎn)間電阻變化并不相同是因?yàn)闆_擊能量以沖擊點(diǎn)為中心向四周呈放射狀擴(kuò)散,離沖擊點(diǎn)越近,沖擊作用越明顯。大于損傷容限的沖擊能量閾值的沖擊不僅使復(fù)合材料電阻發(fā)生明顯變化,而且復(fù)合材料會(huì)被沖擊破壞。
　　 (5)在沖擊試驗(yàn)中,復(fù)合材料上由4個(gè)電極點(diǎn)圍成的長(zhǎng)×寬為6cm×5cm區(qū)域中,只要3個(gè)電極點(diǎn)或不連續(xù)的2個(gè)電極點(diǎn)的電阻增幅都小于由復(fù)合材料損傷容限沖擊