周文松，李惠，欧进萍
（哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨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：碳纤维及其复合材料已广泛应用于土木工程领域，本文针对手工浸渍的环氧树脂基碳纤维布复合材料在反复荷载作用下的力电性能进行了系统的试验研究和分析。研究表明，在反复荷载作用下该类型复合材料的电阻变化率与应变关系曲线表现出与单调荷载作用下不同的新的特征。本文通过对试验结果的分析，进一步验证和深化了对碳纤维复合材料导电机理的认识，为进一步研究土木工程中环氧树脂基碳纤维复合材料的力电性能以及发展可实际应用的地震损伤自监测智能结构奠定了基础。
关键词：碳纤维复合材料；反复荷载；力电性能；试验研究
中图分类号：TQ342.74 文献标识码：A
文章编号：1001-9731（2004）增刊
1 引言
碳纤维复合材料以其良好的物理力学性能以及稳定的化学性能而成为一种广泛应用于航空航天和土木工程等领域的结构材料和增强加固材料。同时，由于碳纤维材料本身的导电性又使得碳纤维增强聚合物（CFRP）具有电磁屏蔽、损伤自监测和监测结构损伤等多种智能特性，众多的国内外学者已经在这个方向开展了基础性的研究[1~5]。在土木工程领域中，碳纤维片材（包括碳纤维布和碳纤维板）的使用量较多，其次是棒材。在片材中，布状材料（即在使用前不浸渍树脂，在施工过程中再给予浸渍）使用量最大。然而，土木工程中使用的这种人工浸渍的碳纤维布状复合材料在制作工艺、宏观特征和微观结构上都与工业生产线上经过热处理等工艺加工出来的CFRP产品有着十分明显的不同。充分利用这种碳纤维布状复合材料的电学特性，可以发展出具有地震损伤自监测功能的智能土木工程结构，国内外对此问题的研究尚属空白。本文在前阶段对该类型手工浸渍环氧树脂基碳纤维布复合材料的力电性能系统的试验研究和分析的基础上，又研究了反复荷载作用下其力电关系，通过对其细观结构和破坏过程深入的分析，较好地解释了本文的试验结果。本文为发展具有地震损伤自监测功能的智能土木工程结构奠定了基础。2 试验概况
2.1 试件设计
本试验所使用的碳纤维布状材料由单向碳纤维束织成，其中每束碳纤维由12000根碳纤维单丝组成，该碳纤维单丝电阻率为1.6×10-3cm⋅。环氧树脂基碳纤维试件的制作方法为：首先从碳纤维布上裁剪一定宽度的碳纤维束置于模具中，将按规定配制的环氧树脂均匀涂抹于碳纤维布上，用专用滚筒顺纤维方向多次挤压使浸渍树脂充分浸透碳纤维布；之后试件在常温下固化而成。试件的制作过程和制作工艺最大程度上模仿了用于土木工程结构加固的碳纤维布状复合材料。由于试验中要在试件上布设电极以测量试件的电学性能，考虑铜箔具有相对非常小的接触电阻和高导电率，因此，本试验中所有电极均由铜箔制作而成，并由银粉填充导电胶粘结于试件上，其中电极在试件被浸渍之前已经制作完成。各试件电极之间的距离为200mm，试件宽度分别为8mm。
2.2 试验设备和试验过程
本次试验所采用的加载系统为INSTRON公司5569型万能试验机及其自动测量系统。试件的初始电阻由美国福禄克公司的Fluke 8842A型台式数字多用表测量，该表具有5.50位的分辨率，可以用四线法测量电阻，电阻测量基本精度为0.042%。试验过程中电阻变化量采用本课题组自行开发的智能结构材料微小电阻测试系统测量，试验数据由计算机自动采集。试件在拉力作用下以1mm/min的加载速度位移控制加载，在达到最大应变后均匀卸载。加载的最大应变分为6000µε和13000µε两种情况。试验过程中，计算机自动同步采集试件的荷载、变形和电阻，采样频率均为10Hz。试验过程中，试件与试验机之间都做了绝缘处理。每种工况试件数为3个。
3 试验结果与讨论
3.1 力学性能试验结果
最大应变为6000µε和13000µε两种情况下的试件应力－应变关系曲线分别如图1（a）、（b）所示。可以看出，在两种应力水平下，试件的应力和应变均为线弹性关系，且试件的弹性模量随荷载循环次数增加并没有显著变化。
上述试验现象可以这样分析，根据碳纤维复合材料的力学破坏的过程和特点，碳纤维复合材料破坏的是由碳纤维丝的累积断裂所引起的，因此，在两种应变水平下，部分碳纤维丝断裂后不再承担荷载，退出工作。而剩余的碳纤维丝仍继续在弹性范围内工作，因此，整个试件在不同应变水平下均保持线性的应力－应变关系。
3.1 力电性能试验结果
图2为当施加应变为6000µε时碳纤维布状复合材料电阻变化率与应变之间的关系曲线。从图中可以看出，当碳纤维复合材料受拉荷载作用且试件应变控制在6000µε之内时，其电阻变化率与应变基本为线性关系，卸载时，电阻和应变都完全恢复。在多次反复荷载作用下，这种线性关系保持不变。图2中的试验现象可以这样解释，即在6000µε之内，试件基本无损伤发生或损伤部分非常小，试件完全在可恢复的弹性范围内变形，这时试件电阻的变化主要由碳纤维丝的可恢复的弹性伸长所导致，并且由于应变较小，其电阻变化率也较小。
图3为试件应变控制在13000µε之内时的电阻变化率与应变的关系曲线。从图中可以看出，在较高应变水平下，试件的电阻变化率和应变关系曲线同低应变水平相比差别很大，在荷载作用的初期，电阻变化率随应变的变化很小，在约8000~10000处尚不足5%；而在加载后期，电阻变化率随荷载的增加急剧增大，最大应变处的电阻变化率大约在10%~20%之间。首次卸载的曲线形状与首次加载也完全不同，具体表现为高应力水平时，电阻变化率随应变变化较小，而低应力水平时，电阻变化率随应变变化较大。在接下来的荷载循环中，加载和卸载的曲线形状均相似，但也与首次加载不同。
通过分析，可以将反复荷载作用下首次加卸载过程中电阻变化率和应变的关系曲线分为如图所示四个阶段，即：（1）在较低应力水平下，碳纤维丝的弹性变形导致了电阻变化，这时的变化率较小；（2）在较高应力水平下，其电阻变化主要由两种原因引起，一为部分碳纤维丝的弹性变形，二为部分强度较低的碳纤维丝的断裂引起，这部分原因导致的电阻变化率较大；（3）在卸载过程中，当应力水平仍然较高时，断裂的碳纤维依然保持未接触状态，这个时候试件电阻的恢复主要由弹性变形的恢复所引起，因此，变化率较小；（4）当卸载到较低应力水平时，断裂的碳纤维的接触成为影响试件电阻变化的主要因素，因此，这个阶段的电阻变化率较大。而当多次反复加载时，在加载阶段，低应力水平下电阻变化率较大主要是由于已断裂的纤维可以较快脱离导电网络，导致电阻变化较快；而高应力水平下电阻变化率较小主要是因为新断裂的纤维数量相对较少，只有纤维的变形导致了电阻变化。
另外，从图中可以看出，本文的试验结果较为离散，主要是由于试件为手工浸渍成形，在试件的制作的过程中，环氧树脂完全覆盖了试件表面，并最大限度地深入试件内部，但并未完全渗入。这样，纤维的存在状态分为两个部分，外围纤维被环氧树脂浸渍，而内部纤维无环氧树脂浸渍。因此，在试件加载过程中，内部纤维由于无环氧树脂浸渍，在受荷载作用断裂后仍相互搭接，对整个电路仍然贡献电阻，导致本文试件的电阻变化率与试件的环氧树脂浸渍比率直接相关，而由于手工制作，环氧树脂的浸渍比率存在一定的离散性，导致本文试件的电阻变化率存在一定程度的离散性。
4 结论
本文对手工环氧树脂基碳纤维布复合材料反复荷载作用下的力电性能进行了系统的试验研究，得到以下结论：
（1）在较低应变水平下，环氧树脂基碳纤维布复合材料应力与应变的关系以及电阻变化率与应变的关系均为线性关系，且随循环次数的增加保持不变。这时的电阻变化率较小，约为1.4％左右。
（2）在较高应变水平下，环氧树脂基碳纤维布复合材料的应力应变关系仍然为线性关系，且曲线斜率随循环次数的增加保持不变。但电阻变化率和应变的关系曲线却呈非线性关系，加载与卸载时的曲线相差较大，且首次加卸载的曲线和随后的加卸载曲线相差也较大，这主要是由于较高应变水平下的电阻变化是由纤维伸长和断裂两部分原因引起的，致使加卸载时的电阻变化机理与较低应变水平下相差较大。
本文的研究进一步验证和深化了对碳纤维复合材料导电机理的认识，通过本文的研究工作，为进一步研究土木工程中环氧树脂基碳纤维复合材料的力电性能以及发展可实际应用的地震损伤自监测智能结构奠定了基础。
参考文献：
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[5] 欧进萍, 王勃, 张新越, 等. 混凝土结构用CFRP筋的感知性能试验研究. [J]. 复合材料学报, 2003, 20(6): 47-51.
基金项目：教育部跨世纪优秀人才计划
作者简介：周文松(1976－)，男，山东威海人，哈尔滨工业大学在读博士生，主要从事智能材料、智能结构以及智能健康监测系统方面的研究。(E-mail:zhouwensong@hit.edu.cn), Tel:0451-86282068.
论文来源：中国功能材料及其应用学术会议,2004年,9月12-16日
