【摘 要】
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三维编织复合材料结构整体性好,同时具有质轻高强、高抗损伤容限和耐冲击性能好等优点,被广泛应用于航空航天、交通运输等工业领域。复合材料在服役过程中易因外部载荷作用而产生损伤,监测其结构健康状况可避免潜在安全问题的发生和降低设备维护成本。碳纤维增强复合材料本身可作为智能结构,通过电阻变化实现自感损伤监测。本文研究三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料的静态电学性能以及准静态拉伸和热载荷作用下的电阻动态变化,
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三维编织复合材料结构整体性好,同时具有质轻高强、高抗损伤容限和耐冲击性能好等优点,被广泛应用于航空航天、交通运输等工业领域。复合材料在服役过程中易因外部载荷作用而产生损伤,监测其结构健康状况可避免潜在安全问题的发生和降低设备维护成本。碳纤维增强复合材料本身可作为智能结构,通过电阻变化实现自感损伤监测。本文研究三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料的静态电学性能以及准静态拉伸和热载荷作用下的电阻动态变化,为基于电阻自感结构健康监测系统的开发提供理论依据。研究内容:（1）测试碳纤维束的电学性能和环氧树脂浇注体的动态机械性能。采用四点探针法测试三维编织复合材料在稳压直流电场中的静态电阻率,分析其导电机理与编织结构相关性。（2）采用MTS测试系统完成准静态拉伸测试,分析不同编织角试样的宏观力学行为。同时采用安捷伦解调仪同步测量三维编织复合材料准静态拉伸过程中的电阻动态变化和实时应变。揭示准静态拉伸加载过程中电阻响应规律,分析编织角与电阻响应以及灵敏度系数间的相关性。（3）在电热鼓风干燥箱中完成35～150℃升/降温循环,测试三维编织复合材料在热载荷作用下的电阻动态变化,分析电阻-温度响应规律。分析不同温度下,电阻变化率与编织角的相关性。研究发现:（1）碳纤维束在0.0～1.0 A范围内电流-电压关系符合欧姆定律;在20～150℃范围内,碳纤维束电阻率随温度升高而降低。同样,在0.0～1.0 A范围内的稳压直流电场中,三维编织材料电压-电流关系具有典型欧姆特性,静态电阻率与编织角呈正相关。（2）三维编织复合材料拉伸过程中拉伸峰值载荷随编织角增大而减小,断裂应变随编织角增大而增大,拉伸模量、拉伸强度及能量吸收均与编织角呈负相关。在拉伸过程中,三维编织复合材料电阻变化率可分为三个阶段。在初始阶段,电阻变化率-应变曲线呈现较好线性关系;随着应变增加,电阻率-应变曲线呈现出明显非线性特征;在大应变阶段,电阻变化率迅速增大到最大值直到试样完全失效。小编织角试样对拉伸加载更为敏感且具有更大的电阻-应变灵敏度系数。（3）当温度小于环氧树脂玻璃化转变温度（Tg）时,电阻响应规律由碳纤维束温度-电阻特性主导,三维编织复合材料电阻率随温度升高而降低,呈现出典型负温度系数（Negative Temperature Coefficient,NTC）效应;而当温度超过环氧树脂Tg时,环氧树脂热膨胀行为使材料内部导电网络发生破坏,电阻率随温度升高不断升高,呈现出典型正温度系数（Positive Temperature Coefficient,PTC）效应。经历35～150℃范围内一次热循环作用后,材料内部导电网络发生改变,电阻率不能回到初始值,表现出电阻回复滞后性。多次热循环作用可改善材料内部导电网络,使电阻响应规律趋于稳定。在温度达到环氧树脂Tg前,18°编织角试样电阻变化对温度更为敏感;而当温度超过Tg时,三种编织角试样电阻率均因环氧树脂热膨胀作用不断增大。本文研究三维编织复合材料的静态电学性能,揭示准静态拉伸和热载荷作用时电阻响应规律,为搭建基于电阻自感结构健康监测系统提供理论依据。
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