周文松，李惠，歐進萍
（哈爾濱工業大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱150090）
Experimental study on electromechanical behavior of carbon fibres sheet with epoxy resin matrix under cyclic loading
ZHOU Wen-song, LI Hui, OU Jin-ping
(School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)
Abstract：The carbon fibres and the composite contained carbon fibres have been used widely in civil engineering. For the carbon fibres sheet with epoxy resin matrix, which is fabricated following the technique used in civil engineering, its electromechanical property under cyclic loading is systematically experimentally studied and analyzed in this paper. The results indicate that the new features, which very different from under monotonic loading, is found based on the relationship curves between the change in electrical resistance and the strain. Based on the results and analysis in this paper, it provides a potential available way to develop the seismic civil infrastructures with self-diagnostic ability by utilizing the electric properties of carbon fibres.
Key words：carbon fibre；composites material；cyclic loading；electromechanical property；experimental study
摘要：碳纖維及其復合材料已廣泛應用于土木工程領域，本文針對手工浸漬的環氧樹脂基碳纖維布復合材料在反復荷載作用下的力電性能進行了系統的試驗研究和分析。研究表明，在反復荷載作用下該類型復合材料的電阻變化率與應變關系曲線表現出與單調荷載作用下不同的新的特征。本文通過對試驗結果的分析，進一步驗證和深化了對碳纖維復合材料導電機理的認識，為進一步研究土木工程中環氧樹脂基碳纖維復合材料的力電性能以及發展可實際應用的地震損傷自監測智能結構奠定了基礎。
關鍵詞：碳纖維復合材料；反復荷載；力電性能；試驗研究
中圖分類號：TQ342.74 文獻標識碼：A
文章編號：1001-9731（2004）增刊
1 引言
碳纖維復合材料以其良好的物理力學性能以及穩定的化學性能而成為一種廣泛應用于航空航天和土木工程等領域的結構材料和增強加固材料。同時，由于碳纖維材料本身的導電性又使得碳纖維增強聚合物（CFRP）具有電磁屏蔽、損傷自監測和監測結構損傷等多種智能特性，眾多的國內外學者已經在這個方向開展了基礎性的研究[1~5]。在土木工程領域中，碳纖維片材（包括碳纖維布和碳纖維板）的使用量較多，其次是棒材。在片材中，布狀材料（即在使用前不浸漬樹脂，在施工過程中再給予浸漬）使用量最大。然而，土木工程中使用的這種人工浸漬的碳纖維布狀復合材料在制作工藝、宏觀特征和微觀結構上都與工業生產線上經過熱處理等工藝加工出來的CFRP產品有著十分明顯的不同。充分利用這種碳纖維布狀復合材料的電學特性，可以發展出具有地震損傷自監測功能的智能土木工程結構，國內外對此問題的研究尚屬空白。本文在前階段對該類型手工浸漬環氧樹脂基碳纖維布復合材料的力電性能系統的試驗研究和分析的基礎上，又研究了反復荷載作用下其力電關系，通過對其細觀結構和破壞過程深入的分析，較好地解釋了本文的試驗結果。本文為發展具有地震損傷自監測功能的智能土木工程結構奠定了基礎。2 試驗概況
2.1 試件設計
本試驗所使用的碳纖維布狀材料由單向碳纖維束織成，其中每束碳纖維由12000根碳纖維單絲組成，該碳纖維單絲電阻率為1.6×10-3cm⋅。環氧樹脂基碳纖維試件的制作方法為：首先從碳纖維布上裁剪一定寬度的碳纖維束置于模具中，將按規定配制的環氧樹脂均勻涂抹于碳纖維布上，用專用滾筒順纖維方向多次擠壓使浸漬樹脂充分浸透碳纖維布；之后試件在常溫下固化而成。試件的制作過程和制作工藝最大程度上模仿了用于土木工程結構加固的碳纖維布狀復合材料。由于試驗中要在試件上布設電極以測量試件的電學性能，考慮銅箔具有相對非常小的接觸電阻和高導電率，因此，本試驗中所有電極均由銅箔制作而成，并由銀粉填充導電膠粘結于試件上，其中電極在試件被浸漬之前已經制作完成。各試件電極之間的距離為200mm，試件寬度分別為8mm。
2.2 試驗設備和試驗過程
本次試驗所采用的加載系統為INSTRON公司5569型萬能試驗機及其自動測量系統。試件的初始電阻由美國福祿克公司的Fluke 8842A型臺式數字多用表測量，該表具有5.50位的分辨率，可以用四線法測量電阻，電阻測量基本精度為0.042%。試驗過程中電阻變化量采用本課題組自行開發的智能結構材料微小電阻測試系統測量，試驗數據由計算機自動采集。試件在拉力作用下以1mm/min的加載速度位移控制加載，在達到最大應變后均勻卸載。加載的最大應變分為6000µε和13000µε兩種情況。試驗過程中，計算機自動同步采集試件的荷載、變形和電阻，采樣頻率均為10Hz。試驗過程中，試件與試驗機之間都做了絕緣處理。每種工況試件數為3個。
3 試驗結果與討論
3.1 力學性能試驗結果
最大應變為6000µε和13000µε兩種情況下的試件應力－應變關系曲線分別如圖1（a）、（b）所示。可以看出，在兩種應力水平下，試件的應力和應變均為線彈性關系，且試件的彈性模量隨荷載循環次數增加并沒有顯著變化。
上述試驗現象可以這樣分析，根據碳纖維復合材料的力學破壞的過程和特點，碳纖維復合材料破壞的是由碳纖維絲的累積斷裂所引起的，因此，在兩種應變水平下，部分碳纖維絲斷裂后不再承擔荷載，退出工作。而剩余的碳纖維絲仍繼續在彈性范圍內工作，因此，整個試件在不同應變水平下均保持線性的應力－應變關系。
3.1 力電性能試驗結果
圖2為當施加應變為6000µε時碳纖維布狀復合材料電阻變化率與應變之間的關系曲線。從圖中可以看出，當碳纖維復合材料受拉荷載作用且試件應變控制在6000µε之內時，其電阻變化率與應變基本為線性關系，卸載時，電阻和應變都完全恢復。在多次反復荷載作用下，這種線性關系保持不變。圖2中的試驗現象可以這樣解釋，即在6000µε之內，試件基本無損傷發生或損傷部分非常小，試件完全在可恢復的彈性范圍內變形，這時試件電阻的變化主要由碳纖維絲的可恢復的彈性伸長所導致，并且由于應變較小，其電阻變化率也較小。
圖3為試件應變控制在13000µε之內時的電阻變化率與應變的關系曲線。從圖中可以看出，在較高應變水平下，試件的電阻變化率和應變關系曲線同低應變水平相比差別很大，在荷載作用的初期，電阻變化率隨應變的變化很小，在約8000~10000處尚不足5%；而在加載后期，電阻變化率隨荷載的增加急劇增大，最大應變處的電阻變化率大約在10%~20%之間。首次卸載的曲線形狀與首次加載也完全不同，具體表現為高應力水平時，電阻變化率隨應變變化較小，而低應力水平時，電阻變化率隨應變變化較大。在接下來的荷載循環中，加載和卸載的曲線形狀均相似，但也與首次加載不同。
通過分析，可以將反復荷載作用下首次加卸載過程中電阻變化率和應變的關系曲線分為如圖所示四個階段，即：（1）在較低應力水平下，碳纖維絲的彈性變形導致了電阻變化，這時的變化率較小；（2）在較高應力水平下，其電阻變化主要由兩種原因引起，一為部分碳纖維絲的彈性變形，二為部分強度較低的碳纖維絲的斷裂引起，這部分原因導致的電阻變化率較大；（3）在卸載過程中，當應力水平仍然較高時，斷裂的碳纖維依然保持未接觸狀態，這個時候試件電阻的恢復主要由彈性變形的恢復所引起，因此，變化率較小；（4）當卸載到較低應力水平時，斷裂的碳纖維的接觸成為影響試件電阻變化的主要因素，因此，這個階段的電阻變化率較大。而當多次反復加載時，在加載階段，低應力水平下電阻變化率較大主要是由于已斷裂的纖維可以較快脫離導電網絡，導致電阻變化較快；而高應力水平下電阻變化率較小主要是因為新斷裂的纖維數量相對較少，只有纖維的變形導致了電阻變化。
另外，從圖中可以看出，本文的試驗結果較為離散，主要是由于試件為手工浸漬成形，在試件的制作的過程中，環氧樹脂完全覆蓋了試件表面，并最大限度地深入試件內部，但并未完全滲入。這樣，纖維的存在狀態分為兩個部分，外圍纖維被環氧樹脂浸漬，而內部纖維無環氧樹脂浸漬。因此，在試件加載過程中，內部纖維由于無環氧樹脂浸漬，在受荷載作用斷裂后仍相互搭接，對整個電路仍然貢獻電阻，導致本文試件的電阻變化率與試件的環氧樹脂浸漬比率直接相關，而由于手工制作，環氧樹脂的浸漬比率存在一定的離散性，導致本文試件的電阻變化率存在一定程度的離散性。
4 結論
本文對手工環氧樹脂基碳纖維布復合材料反復荷載作用下的力電性能進行了系統的試驗研究，得到以下結論：
（1）在較低應變水平下，環氧樹脂基碳纖維布復合材料應力與應變的關系以及電阻變化率與應變的關系均為線性關系，且隨循環次數的增加保持不變。這時的電阻變化率較小，約為1.4％左右。
（2）在較高應變水平下，環氧樹脂基碳纖維布復合材料的應力應變關系仍然為線性關系，且曲線斜率隨循環次數的增加保持不變。但電阻變化率和應變的關系曲線卻呈非線性關系，加載與卸載時的曲線相差較大，且首次加卸載的曲線和隨后的加卸載曲線相差也較大，這主要是由于較高應變水平下的電阻變化是由纖維伸長和斷裂兩部分原因引起的，致使加卸載時的電阻變化機理與較低應變水平下相差較大。
本文的研究進一步驗證和深化了對碳纖維復合材料導電機理的認識，通過本文的研究工作，為進一步研究土木工程中環氧樹脂基碳纖維復合材料的力電性能以及發展可實際應用的地震損傷自監測智能結構奠定了基礎。
參考文獻：
[1] Schueler R, Joshi S P, Schulte K. Damage detection in CFRP by electrical conductivity mapping. [J]. Composites Science and Technology, 2001, 61: 921-930.
[2] Park J B, Okabe T, Takeda N, et al. Electromechanical modeling of unidirectional CFRP composites under tensile loading condition. [J]. Composites: Part A, 2002, 33: 267-275.
[3] Chung D D L. Self-monitoring structural materials. [J]. Materials Science and Engineering, 1998, 22: 57-78.
[4] OU J P, WANG B, HE Z, et al. Mechanical and Sensing Properties of FRP Bars for Concrete Structures. [J]. Pacific Science Review, 2002, 4: 93-99.
[5] 歐進萍, 王勃, 張新越, 等. 混凝土結構用CFRP筋的感知性能試驗研究. [J]. 復合材料學報, 2003, 20(6): 47-51.
基金項目：教育部跨世紀優秀人才計劃
作者簡介：周文松(1976－)，男，山東威海人，哈爾濱工業大學在讀博士生，主要從事智能材料、智能結構以及智能健康監測系統方面的研究。(E-mail:zhouwensong@hit.edu.cn), Tel:0451-86282068.
論文來源：中國功能材料及其應用學術會議,2004年,9月12-16日
