基于電阻法碳布增強環(huán)氧樹脂復合材料損傷自診斷的研究.pdf

1、碳/環(huán)氧復合材料具有優(yōu)異的力學性能、耐熱性、耐腐蝕性、耐疲勞性,在航空航天、武器裝備、國民經(jīng)濟等方面有較廣泛的應用。由于碳纖維有良好的導電性,在較高碳纖維含量的碳/環(huán)氧復合材料中碳纖維之間相互接觸,形成導電網(wǎng)絡。當受到外力作用時,復合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化,引起導電網(wǎng)絡的變化,進而導致復合材料電阻產(chǎn)生變化。因此,可以利用碳纖維作為復合材料外力傳感器,通過復合材料電阻變化來反映其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。
　　 本文選用在航空工業(yè)中廣泛應用

2、的G803/5224碳布增強環(huán)氧樹脂預浸料為原料,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)氧復合材料;依據(jù)復合材料通道導電和隧道效應導電的模式,研究了溫度變化對復合材料電阻的影響;研究分析了在拉伸、開孔拉伸、壓縮、開孔壓縮、彎曲、沖擊條件下,復合材料的電阻隨外力作用的變化規(guī)律,確定了復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、壓縮強度、電阻變化等指標的基礎上,提出了評價復合材料沖擊損傷的新思路;編寫了復合材料沖擊損傷計算機診斷程序,構(gòu)建了由復合材料、計算機、多通道數(shù)據(jù)采集器組成的復合材料沖擊損傷自診斷系統(tǒng),并通過試驗得到了驗證。
　　 (1)在-50℃～160℃溫度范圍,不同規(guī)格復合材料的電阻均逐漸下降,復合材料表現(xiàn)出負溫度系數(shù)效應。其中,[±45]8復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,復合材料電阻下降速率并不相同。其中,在(-20～130)℃區(qū)間,復合材料電阻下降速率最大。
　　 (2)在拉伸、開孔拉伸、壓縮、開孔壓縮、彎曲試驗中,復合材料的破壞包括環(huán)氧樹脂的普彈形變、強迫高彈形變、樹脂裂紋、樹脂破壞、復合材料分層、碳纖維斷裂等形式,最終復合材料被破壞。在試驗過程中,復合材料中的碳纖維接觸狀況、自由電子數(shù)目會發(fā)生變化,使得其中的導電通道、隧道導電效應產(chǎn)生變化從而引起電阻

5、變化。
　　 (3)在拉伸和開孔拉伸試驗中,當[0/90]、[0/90/±45]復合材料應變大于1.8％,[±45]復合材料應變大于1.27％時,則在復合材料內(nèi)部會產(chǎn)生拉伸損傷;當復合材料試樣的電阻增幅超過此時的電阻增幅時,則可診斷復合材料試樣中存在損傷。在壓縮試驗中,當[0/90]7、[0/90]8復合材料試樣的電阻增幅分別超過3.6％、2.6％時,則可診斷復合材料試樣中存在輕微的壓縮損傷:當[0/90]7、[0/90]8復合

6、材料試樣的電阻增幅分別超過10.2％、3.4％時,則可診斷在復合材料試樣中存在較嚴重的壓縮損傷。在彎曲試驗中,當[0/90]7、[0/90]8復合材料試樣的電阻增幅分別超過25.8％、31.3％時,則可診斷復合材料試樣已經(jīng)斷裂;同時,不能依據(jù)復合材料電阻變化情況反映復合材料斷裂之前的狀況。
　　 (4)不同規(guī)格的復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,會使復合材料各電極點間電阻變

7、小。大于沖擊損傷能量閾值的沖擊使沖擊點周圍的電極點電阻上升。在相同能量沖擊下,不同電極點間電阻變化并不相同是因為沖擊能量以沖擊點為中心向四周呈放射狀擴散,離沖擊點越近,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合材料電阻發(fā)生明顯變化,而且復合材料會被沖擊破壞。
　　 (5)在沖擊試驗中,復合材料上由4個電極點圍成的長×寬為6cm×5cm區(qū)域中,只要3個電極點或不連續(xù)的2個電極點的電阻增幅都小于由復合材料損傷容限沖擊