三維編織復(fù)合材料彎曲承載下嵌入碳納米線的特性分析

萬 莉,郭建民,馬永軍

(1.天津科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院,天津 300222; 2.天津工業(yè)大學(xué) 信息化中心,天津 300387)

三維編織復(fù)合材料彎曲承載下嵌入碳納米線的特性分析

萬 莉1,郭建民2,馬永軍1

(1.天津科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院,天津 300222; 2.天津工業(yè)大學(xué) 信息化中心,天津 300387)

為實(shí)現(xiàn)三維編織復(fù)合材料實(shí)時(shí)承載監(jiān)測(cè)，基于碳納米線嵌入三維編織復(fù)合材料預(yù)制件的方法，研究了嵌入碳納米線三維編織復(fù)合材料制件在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中碳納米線的應(yīng)變特性。結(jié)果表明：在三點(diǎn)彎曲過程中，制件加載至斷裂碳納米線的電阻變化具有單調(diào)一致性,碳納米線電阻變化符合一定指數(shù)函數(shù)關(guān)系；在大負(fù)荷加載后碳納米線產(chǎn)生電阻滯后現(xiàn)象；制件卸載后，碳納米線傳感器產(chǎn)生殘余電阻。研究結(jié)果證明：碳納米線傳感器在彎曲承載下能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康狀況，為三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建提供了參考。

三維編織復(fù)合材料；三點(diǎn)彎曲測(cè)試；碳納米線傳感器；指數(shù)函數(shù)；殘余電阻

三維編織復(fù)合材料是一種先進(jìn)的承載材料，以其高比強(qiáng)度、高比模量、高損傷容限等優(yōu)異性能，成為航空、航天領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料。三維復(fù)合材料的編織方法獨(dú)特，其承載性能與編織工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、編織紗、基體力學(xué)性能、空隙率以及界面損傷等諸多因素有關(guān)。三維編織復(fù)合材料制件在應(yīng)用過程中因承受各種應(yīng)力而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷，因此，對(duì)三維編織復(fù)合材料制件進(jìn)行實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是十分必要的[1]。

傳統(tǒng)復(fù)合材料常用的無損檢測(cè)方法有超聲波、X射線檢測(cè)、聲發(fā)射檢測(cè)、激光全息檢測(cè)、微波檢測(cè)、光纖布拉格光柵等。由于三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的特殊性，這些方法往往具有檢測(cè)時(shí)間長、精度低、檢測(cè)過程復(fù)雜等缺點(diǎn)，傳統(tǒng)方法在實(shí)現(xiàn)航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用上具有一定困難[2-4]。

分布式光纖布拉格光柵(FBG)傳感器在航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中得到了應(yīng)用，主要用于鋪層復(fù)合材料中。光纖應(yīng)變傳感器光纖脆性，在編織過程中容易斷裂，在三維編織復(fù)合材料健康檢測(cè)應(yīng)用中存在很大的工藝難度[5]。由于碳納米線和纖維具有相同的特征，嵌入材料內(nèi)的碳納米傳感器可以輸出包含了材料內(nèi)應(yīng)變(應(yīng)力)及損傷等信息,為三維編織復(fù)合材料的在線檢測(cè)提供了基礎(chǔ)。

本文主要論述了碳納米線傳感器嵌入三維編織復(fù)合材料預(yù)制件方法，分析了嵌入碳納米線的三維編織復(fù)合材料制件在不同載荷下三點(diǎn)彎曲的碳納米線應(yīng)變傳感特性，研究結(jié)果對(duì)于提升我國航天器的材料應(yīng)用水平具有重要意義，在航空、航天三維編織復(fù)合材料制件健康狀態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域具有創(chuàng)新性。

1 碳納米線嵌入預(yù)制件編織工藝

碳納米線的嵌入方法采用三維五向編織四步法編織工藝。四步法三維五向編織方法是以四步法三維四向編織工藝為基礎(chǔ)，在編織機(jī)的每行相鄰編織紗攜紗器的中間加入軸向紗攜紗器，圖1為三維五向編織機(jī)示意圖,在編織過程中，攜紗器牽引著編織紗線和軸向紗線在編織機(jī)底盤上做周期性交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，而軸向紗攜紗器保持不動(dòng)。經(jīng)過若干次編織循環(huán)后，攜紗器將回歸到編織起始位置。

圖2示出三維四步法編織工藝的攜紗器排列和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在編織過程中，每一機(jī)器循環(huán)中，軸向紗攜紗器只沿行向運(yùn)動(dòng)，沿列向不動(dòng)，呈一定的直線狀態(tài)，圖3示出嵌入碳納米線的三維五向編織復(fù)合材料的空間結(jié)構(gòu)。

為實(shí)現(xiàn)制件實(shí)時(shí)檢測(cè)，在軸向紗設(shè)置上，每隔一定間距設(shè)置1個(gè)碳納米傳感器作為軸向紗，在該研究中，每隔8個(gè)碳纖維紗放置1個(gè)碳納米線代替碳纖維紗，由于碳納米線在編織過程中是連續(xù)的，因此，可實(shí)現(xiàn)對(duì)三維編織復(fù)合材料整體制件的應(yīng)變連續(xù)監(jiān)測(cè)。

2 碳納米線傳感特性分析

由可紡碳納米管陣列紡成的紗線，通過采用卷繞及加捻技術(shù)展現(xiàn)出很好的力學(xué)和電氣特性，由30 μm直徑的紗線獲得最大的拉伸強(qiáng)度可達(dá)約486 MPa，直徑為20 μm的碳納米線具有最高的強(qiáng)度，大約是500 MPa，由此可見，嵌入碳納米線的三維編織復(fù)合材料對(duì)其力學(xué)性能有所提升[2]。

碳納米線傳感器電阻[6]描述為

(1)

式中：R0為碳納米線初始阻抗；ρ為電阻率；L為碳納米線長度；A為碳米管截面積。電阻的變化[2]可描述為

(2)

式中：ε為應(yīng)變；v12為碳納米線泊松比。

電阻的變化有2個(gè)原因：一是應(yīng)變的產(chǎn)生；另一是電阻率的變化，如溫度引起的變化等。

碳納米線應(yīng)變系數(shù)[6-8]描述為

(3)

該研究采用格林施香港有限公司生產(chǎn)的碳納米線，納米線外部涂有絕緣薄膜，直徑為30 μm，電阻率為106Ω·cm，抗張強(qiáng)度為2 GPa，彈性系數(shù)為6.2 GPa，純納米纖維的應(yīng)變系數(shù)約為0.5，碳納米線是由數(shù)十億短單個(gè)碳納米管組成，碳納米管之間的接觸電阻遠(yuǎn)大于碳納米管本身的阻力。碳納米線傳感器縱向應(yīng)變系數(shù)約為0.38,在整個(gè)壓力范圍內(nèi)保持不變的情況下，橫向應(yīng)變系數(shù)為0.02～0.04。與縱向電阻變化相比，橫向阻力變化可能被忽視。

圖4示出單根碳納米線嵌入預(yù)制件前后的拉伸電阻與拉伸負(fù)荷的變化圖。可以看出，嵌入預(yù)制件前，碳納米線在承載下，電阻變化與承載力具有很好的線性關(guān)系。嵌入制件后的碳納米線在同等拉伸情況下，碳納米線變形要大一些，其主要原因：一是編織紗對(duì)軸向的碳米線有一定的擠壓變形；二是在制件RTM過程中，樹脂溫度對(duì)碳納米線有一定的損傷，使得電阻值變化增大。但是碳納米線的電阻變化與承載力仍具有較好的線性關(guān)系。

通過惠斯通電橋讀取碳納米線傳感陣列的應(yīng)變數(shù)據(jù)，由外部電路測(cè)量電阻數(shù)據(jù)，如圖5所示。測(cè)量時(shí)，將碳納米線的兩端涂抹銀膠并連接導(dǎo)線進(jìn)行電阻值的測(cè)量。

3 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)分析

彎曲試驗(yàn)主要用于測(cè)定材料脆性和低塑性，系統(tǒng)采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)加載方式。使用3 K碳纖維為T300B、基體為環(huán)氧樹脂TDE-86、固化劑為70酸酐增強(qiáng)的三維編織復(fù)合材料矩形試件，試驗(yàn)參考GB/T 3356—1999《單向纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》。試件尺寸均為：70 mm×12 mm×2 mm,所有試驗(yàn)在SHIMADZU AG-250 KNE試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用簡支梁三點(diǎn)加載，加載壓頭半徑R為2 mm,加載速度為5.0 mm/min，2個(gè)支撐的跨距為63 mm。

復(fù)合材料試件中碳納米線的特征如圖6所示。由于碳納米線在預(yù)制件中所處的位置不同，電阻值也有差別，圖6(a)為嵌入碳納米線的航天用預(yù)制件圖，預(yù)制件的兩側(cè)表明了試樣截面碳納米線的分布及具體的位置。圖6(b)示出嵌入碳納米線三維復(fù)合材料試件在拉伸承載下不同位置的碳納米線電阻變化。

為分析編織角大小對(duì)嵌入預(yù)制件碳納米線影響，設(shè)計(jì)4種不同編織角的制件進(jìn)行試驗(yàn)。試件參數(shù)見表1。

三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的彎曲強(qiáng)度[7]為

(4)

式中：σf為彎曲強(qiáng)度，MPa；Pb為試樣破壞時(shí)的最大載荷，MPa；L為跨距，mm；b為試樣寬度，mm；h為試樣厚度，mm。

圖6試件中嵌入的碳納米線，在試件厚度方向分布上分別處于試件上方、試件中部和試件底部。在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中，其位置不同，所受力變形的情況不同，位于試件上部的碳納米線在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中是壓縮變形；中間的碳納米線屬于平面承載變形；下部的碳納米線是拉伸變形。

表1 三維編織復(fù)合材料試件參數(shù)Tab.1 Parameters of specimen for three-dimensional braided composite material

3.1 試件中部區(qū)域碳納米線三點(diǎn)彎曲特性

利用制件1進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，對(duì)制件加載至斷裂，三點(diǎn)彎曲應(yīng)力應(yīng)變和內(nèi)部碳納米線電阻變化率如圖7所示?？梢钥闯觯谥萍?加載直至斷裂其機(jī)械應(yīng)力和碳納米線△R/R0變化率具有單調(diào)一致性。

同時(shí)也可看出，碳納米線的電阻變化是一曲線形式。對(duì)圖7中2條曲線利用提出的指數(shù)函數(shù)[9]進(jìn)行曲線擬合，指數(shù)函數(shù)為

(5)

A和t為經(jīng)驗(yàn)常量，以指數(shù)方式進(jìn)行曲線擬合其相關(guān)性R2=0.985。曲線擬合結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯隼鞈?yīng)力和△R/R0之間的直接相關(guān)性。

3.2 試件底部區(qū)域碳納米線三點(diǎn)彎曲特性

利用試件2，選取試件底部的碳納米線分析試件承載特性，圖9示出4個(gè)加載-卸載過程的測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯觯瑢?duì)于前2個(gè)(分別增長到45%，65%的斷裂應(yīng)力)階段，△R/R0比值較小且不穩(wěn)定。

第3個(gè)卸載階段后，承載接近500 MPa(83%的斷裂應(yīng)力)，可以觀察到卸載后△R/R0測(cè)量的滯后曲線，卸載之后電阻變化沒有回到0值，產(chǎn)生殘余電阻。殘余電阻的產(chǎn)生有幾種原因：一是三維編織復(fù)合材料制件內(nèi)部“損傷”；二是碳納米線傳感器本身“損壞”；三是碳纖維損傷等。碳納米線傳感器可承受應(yīng)變超過20%，而在這階段機(jī)械應(yīng)變只有約2.6%，因此，最有可能的是制件樣本身損傷，損傷主要是基體裂紋和纖維分離。制件內(nèi)部纖維的斷裂導(dǎo)致碳納米傳感器電阻的變化，但是再繼續(xù)加載-卸載直至加載到斷裂，碳納米線傳感器電阻比率和負(fù)載仍具有同時(shí)增長的線性關(guān)系。

試件1和試件2的表面編織角是不同的，在拉伸情況下，嵌入在試件內(nèi)部的碳納米線在試件承載過程中，電阻變化規(guī)律基本一致，這說明，編織角大小對(duì)碳納米線電阻變化影響不大。

上述測(cè)試結(jié)果說明，由于碳納米線嵌入到復(fù)合材料制件的內(nèi)部，材料內(nèi)部的損傷變化對(duì)傳感器電阻有很大影響，利用碳納米線傳感器電阻變化可以分析試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷。

3.3 試件上部區(qū)域碳納米線三點(diǎn)彎曲特性

在試件3中利用試件上部的碳納米線分析其三點(diǎn)彎曲承載特性，圖10示出試件逐漸加載至斷裂過程中碳納米線△R/R0變化情況，可以看出在試件持續(xù)加載過程中，碳納米線傳感器的電阻比率△R/R0為負(fù)值。為便于分析，將試件初期加載與碳納米線應(yīng)變圖放大，如圖11所示，可以觀察到，當(dāng)制件加載到大約220 MPa，試件變形約為0.8%時(shí)，碳納米線壓縮應(yīng)力的△R/R0值處出現(xiàn)大的負(fù)的峰值。

由圖10可看出，當(dāng)試件變形超過1.5%，碳納米線的△R/R0值由負(fù)值變?yōu)檎?，繼續(xù)加載到斷裂，碳納米線傳感器電阻比率和制件應(yīng)變同時(shí)增加，具有線性關(guān)系。

制件三點(diǎn)彎曲時(shí)，嵌入上部區(qū)域碳納米線出現(xiàn)先壓縮再拉伸的應(yīng)變特性，出現(xiàn)早期壓縮應(yīng)變?cè)蚴窃陂_始初期，碳納米線處于試件上部，與加載載荷點(diǎn)較近，受力期間橫切面產(chǎn)生偏斜，在負(fù)荷達(dá)到一定值后，碳納米線的局部受到加載點(diǎn)的集中應(yīng)力作用，使得碳納米線局部劇烈收縮，△R/R0迅速變大，產(chǎn)生張力而形成負(fù)峰。隨著負(fù)載的繼續(xù)增加，碳納米線受力逐漸在長度方向上擴(kuò)散，碳納米線傳感器電

阻變化趨于穩(wěn)定，隨著載荷的增加，碳納米線表現(xiàn)出拉伸應(yīng)變特性。

由于復(fù)合材料制件變形小于5%，而碳納米線傳感器可承受應(yīng)變超過20%，所以壓縮變形對(duì)碳納米線結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響不大。

為驗(yàn)證其規(guī)律，利用試件4，選取試件上部的碳納米線研究其應(yīng)變特性，采用與試件3相同的加載-卸載過程，加載應(yīng)力和碳納米線電阻變化如圖12所示。

由圖12可看出，試件4在試件變形約為0.8%時(shí)，碳納米線的應(yīng)變也出現(xiàn)負(fù)峰信號(hào)，隨著負(fù)載的逐步增加，電阻變化率也隨之增加。在前3個(gè)卸載階段之后并未監(jiān)測(cè)到殘余電阻。隨著負(fù)荷的增加，加載到第4和第5階段產(chǎn)生了電阻滯后現(xiàn)象；卸載時(shí)，碳納米線傳感器產(chǎn)生了殘余電阻，其主要原因是試件大負(fù)荷循環(huán)加載過程中產(chǎn)生了一定的累積損傷。

嵌入試件上部區(qū)域碳納米線三點(diǎn)彎曲應(yīng)變特性比較復(fù)雜，碳納米線電阻的變化由初始?jí)嚎s應(yīng)變轉(zhuǎn)化為拉伸應(yīng)變，期間局部碳納米線由于受到載荷的集中應(yīng)力作用，產(chǎn)生一個(gè)很大的負(fù)值變化。

通過碳納米線的電阻變化，可以判斷試件承載的力學(xué)行為，材料內(nèi)部的局部損傷將導(dǎo)致碳納米線電阻較大的變化。

三點(diǎn)壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明，以軸紗方式在三維編織復(fù)合材料制件嵌入碳納米線，編織角的大小對(duì)碳納米線的電阻變化影響不大。

4 結(jié) 論

1)碳納米線用于三維復(fù)合材料的損傷監(jiān)測(cè)是可行的，以軸紗方式在三維編織復(fù)合材料制件嵌入碳納米線，編織角的大小對(duì)碳納米線的電阻變化影響不大。

2)碳納米線在試件加載過程中，其電阻變化為曲線形式，與試件的應(yīng)變具有很好的相關(guān)性，通過指數(shù)曲線擬合可以用碳納米線電阻變化描述試件的承載變形。

3)在試件大負(fù)荷循環(huán)加載-卸載后碳納米線傳感器產(chǎn)生殘余電阻，通過殘余電阻的分析可以評(píng)估試件健康狀況，殘余電阻的出現(xiàn)表明試件出現(xiàn)了內(nèi)部損傷或累積損傷。

FZXB

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Bending load characteristic of carbon nano wires embedded into three-dimensional braided composite

WAN Li1,GUO Jianmin2,MA Yongjun1

(1.CollegeofComputerScienceandInformationEngineering,TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin300222，China；2.InformationCenter,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387，China)

In order to achieve load monitoring of three-dimensional braided composites in real time,the strain characteristics of carbon nanot wires embedded into three-dimensional braided composites in the three point bending test were studied.The method of carbon nano wires embedded into three-dimensional braided composite material preform was applied.The results showed that in the three point bending process,the resistance of carbon nano wires changed with certain exponential function relationship until the specimen was loaded to the fracture.The hysteresis resistance of carbon nano wires was observed after a great loading force.The residual resistance of carbon nano wires was produced after unloading.The studies have shown that structure health status of three-dimensional braided composites can be monitored using carbon nano wires sensor under bending in real-time.It will lay foundation for construction of structural health monitoring system for three-dimensional braided composites.

three-dimensional braided composite; three point bending test ; carbon nano wires sensor; exponential function；residual resistance

10.13475/j.fzxb.20141101807

2014-11-10

2015-07-27

教育部博士點(diǎn)基金課題項(xiàng)目(200800580004)

萬莉(1990—)，女，碩士生。研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)檢測(cè)技術(shù)等。馬永軍，通信作者，E-mail：yjma@tust.edu.cn。

TS 101.2

A