碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)力阻效應(yīng)的研究評(píng)述

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(1.武漢科技大學(xué) 理學(xué)院，湖北 武漢 430081； 2.武漢理工大學(xué) 理學(xué)院，湖北 武漢 430070)

碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)力阻效應(yīng)的研究評(píng)述

鄭華升1，朱四榮2，李卓球2

(1.武漢科技大學(xué)理學(xué)院，湖北武漢430081；2.武漢理工大學(xué)理學(xué)院，湖北武漢430070)

碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)作為一種先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料，其力阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)引起了廣泛關(guān)注。基于現(xiàn)有研究成果，分別概述了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)塑料和短切碳纖維增強(qiáng)塑料的力阻行為，從微觀力阻現(xiàn)象和電場(chǎng)傳輸物理模型兩方面分析了力阻效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理，并對(duì)內(nèi)嵌式CFRP力阻傳感器和CFRP智能表層進(jìn)行了介紹。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了制約CFRP在傳感領(lǐng)域應(yīng)用的因素并指出了未來(lái)研究方向。

碳纖維增強(qiáng)塑料CFRP； 力阻效應(yīng)； 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

1 前 言

碳纖維增強(qiáng)塑料(Carbon fiber reinforced polymer，簡(jiǎn)稱(chēng)CFRP)是一種輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模量的先進(jìn)復(fù)合材料[1-3]。研究表明，CFRP具有力阻效應(yīng)，表現(xiàn)為受力變形時(shí)其電阻(率)會(huì)發(fā)生變化，依此可將材料的應(yīng)力應(yīng)變信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，這一方面使得CFRP作為結(jié)構(gòu)材料使用的同時(shí)能為自身的變形與損傷提供一種自檢測(cè)方式，另一方面也可能為一般結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)開(kāi)辟新的途徑。自1989年Schulte[4]發(fā)現(xiàn)CFRP力阻效應(yīng)以來(lái)，針對(duì)各種類(lèi)型的CFRP力阻效應(yīng)的研究相繼展開(kāi)，本文從CFRP力阻行為、CFRP力阻響應(yīng)機(jī)理和CFRP力阻傳感器這三個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有研究進(jìn)行評(píng)述。

2 CFRP的力阻行為

2.1 連續(xù)碳纖維增強(qiáng)塑料的力阻效應(yīng)

CFRP的增強(qiáng)相分為連續(xù)碳纖維和短切碳纖維增強(qiáng)兩種形式。其中，連續(xù)碳纖維增強(qiáng)塑料力學(xué)性能優(yōu)異，應(yīng)用廣泛，其力阻效應(yīng)是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。在多數(shù)情況下，連續(xù)碳纖維增強(qiáng)塑料的力阻響應(yīng)在一定范圍內(nèi)具有良好的線性和回復(fù)性[5-9]，而當(dāng)損傷發(fā)生時(shí)則表現(xiàn)出不可逆的電阻變化[10-12]，因此，力阻效應(yīng)能對(duì)結(jié)構(gòu)的變形與損傷檢測(cè)提供依據(jù)。靈敏度(單位應(yīng)變導(dǎo)致的電阻相對(duì)變化量)是評(píng)價(jià)塑料力阻性能的最為關(guān)鍵的指標(biāo)。現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)塑料的靈敏度絕對(duì)值通常在100以下[5-17]，且分布極為離散。造成連續(xù)碳纖維增強(qiáng)塑料靈敏度存在差異的主要原因在于以下兩個(gè)方面。

2.1.1電阻測(cè)試方式 常規(guī)的電阻測(cè)試方法有2電極法和4電極法。2電極法的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需電流激勵(lì)，可直接測(cè)試材料的電阻，應(yīng)用于實(shí)際測(cè)量時(shí)較為便捷，但其電阻響應(yīng)不僅來(lái)源于材料的力阻效應(yīng)，同時(shí)還包含了電極與試樣間接觸電阻的變化[13-14]。4電極法理論上消除了接觸電阻的影響，測(cè)試結(jié)果更為準(zhǔn)確，但是，實(shí)際操作中電極粘貼質(zhì)量的好壞直接影響材料內(nèi)的電場(chǎng)分布，從而使得所測(cè)得的靈敏度會(huì)存在較大偏差[7,13-14]。

連續(xù)碳纖維的導(dǎo)電性具有強(qiáng)烈的各向異性，在樹(shù)脂基體中，其縱向(沿纖維方向)電阻率約為橫向(垂直于纖維方向)電阻率的1/104～1/103[5,13]。電極沿不同方向的布置，對(duì)初始電阻和靈敏度均會(huì)產(chǎn)生顯著的影響[6,15-16]。如文獻(xiàn)[16]報(bào)道：在室溫條件下單向CFRP板的力阻靈敏度在0°方向?yàn)?.21，在10°到90°間的各方位上從11.9遞減變化到0.685。

2.1.2原材料及工藝 在CFRP的制作過(guò)程中，涉及到碳纖維、樹(shù)脂類(lèi)型、樹(shù)脂含量、添加劑類(lèi)型、鋪層方式、固化溫度和壓力等多方面的工藝參數(shù)。這些都是影響CFRP導(dǎo)電性和力阻性的潛在因素。利用縱向電阻以反映材料的縱向變形是最常見(jiàn)的考察連續(xù)碳纖維增強(qiáng)塑料力阻效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法，但是，同是采用此種測(cè)試方法，由于原材料和工藝的差異，連續(xù)碳纖維的力阻靈敏度可在-89～20 間廣泛分布[5-7,13-16]。在現(xiàn)階段，力阻響應(yīng)受該因素的影響機(jī)理還未見(jiàn)系統(tǒng)的研究，但近年來(lái)，以提升連續(xù)碳纖維增強(qiáng)CFRP力阻性能為目的，在制作CFRP的過(guò)程中，碳纖維的預(yù)處理方法已得到重視。一種方法是對(duì)碳纖維進(jìn)行預(yù)拉處理，當(dāng)預(yù)拉應(yīng)力在0～72.28MPa范圍內(nèi)時(shí)，單向CFRP的力阻性能有顯著提升，其靈敏度最大可達(dá)89.9[17]，此外，碳纖維的預(yù)拉處理對(duì)力阻響應(yīng)的穩(wěn)定性和重復(fù)性也有明顯改善[18]；另一種方法是在碳纖維表面涂刷界面活性劑以增強(qiáng)界面活性，這種方法能使單向CFRP平均靈敏度提升至400左右，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)很好的動(dòng)力響應(yīng)[19-21]。

2.2 短切碳纖維增強(qiáng)塑料的力阻效應(yīng)

由于在力學(xué)性能方面不占優(yōu)勢(shì)，以短切碳纖維作為增強(qiáng)相的CFRP很少單獨(dú)作為結(jié)構(gòu)材料使用，其力阻效應(yīng)的研究報(bào)道也較為少見(jiàn)。短切碳纖維增強(qiáng)塑料宏觀上電阻表現(xiàn)出各向同性，因其導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)依賴(lài)于大量碳纖維相互搭接而成，相對(duì)于以纖維導(dǎo)電為主的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)塑料，短切碳纖維增強(qiáng)塑料可以提供更高的力阻靈敏度[22-23]。此外，短切碳纖維增強(qiáng)塑料價(jià)格相對(duì)低廉，也適合作為涂層大面積敷設(shè)在結(jié)構(gòu)表面實(shí)施結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感[23]。

然而，在短切碳纖維增強(qiáng)塑料的制作過(guò)程中，如何克服碳纖維在樹(shù)脂中的團(tuán)聚、纏繞等不利因素，實(shí)現(xiàn)碳纖維的均勻分散是一個(gè)很大的難題。因此，盡管短切碳纖維增強(qiáng)塑料表現(xiàn)出的力阻靈敏度較大，但其在傳感穩(wěn)定性上諸如線性度、回復(fù)性等方面還不能令人滿意。

碳纖維氈增強(qiáng)塑料在導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)上與傳統(tǒng)的短切碳纖維增強(qiáng)塑料具有相似性，二者主要差異在于，碳纖維氈增強(qiáng)中的碳纖維是在平面內(nèi)(層內(nèi))亂向隨機(jī)分布，而傳統(tǒng)的短切碳纖維增強(qiáng)中的碳纖維是在三維空間內(nèi)亂向隨機(jī)分布。由于二者均是依賴(lài)短切碳纖維本身及其搭接界面導(dǎo)電，從本質(zhì)上看，其力阻效應(yīng)具有共性。短切碳纖維氈增強(qiáng)是通過(guò)碳纖維氈直接浸潤(rùn)樹(shù)脂形成復(fù)合材料，而在碳纖維氈的生產(chǎn)過(guò)程中已將碳纖維均勻分散，用其制成的CFRP也將保持這種固有的理想導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，基本不存在碳纖維團(tuán)聚、纏繞等現(xiàn)象，這對(duì)于提升力阻效應(yīng)的穩(wěn)定性能起到有益作用[24-25]。特別是在多層復(fù)合的情形下，形成立體導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，能使得線性度和穩(wěn)定性得到顯著提升，但靈敏度有所下降[26]。

3 CRRP力阻響應(yīng)機(jī)理

3.1 CFRP的微觀力阻現(xiàn)象

在單調(diào)拉伸的情況下，碳纖維裸單絲的電阻隨著拉應(yīng)變?cè)黾佣鴨握{(diào)增大，但其電阻-應(yīng)變靈敏度只有1.38左右[27-28]，比通常使用的電阻應(yīng)變片的靈敏度要小，這表明它的電阻-應(yīng)變效應(yīng)主要是由尺寸變化引起的。

當(dāng)碳纖維單絲浸潤(rùn)到樹(shù)脂中后[29-30]，由于受固化放熱產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的影響，當(dāng)拉應(yīng)變?cè)?～5000με時(shí)，碳纖維的電阻隨著拉應(yīng)變?cè)黾佣鴨握{(diào)減??；當(dāng)拉應(yīng)變超過(guò)5000με時(shí)，尺寸效應(yīng)引起碳纖維的電阻隨著拉應(yīng)變?cè)黾佣鴨握{(diào)增大，總體上看，這種變化量都非常微小，對(duì)CFRP的力阻響應(yīng)影響有限。

樹(shù)脂基體中碳纖維間接觸電阻的變化是引起CFRP力阻響應(yīng)的主要原因。在樹(shù)脂基體中，局部搭接的碳纖維接觸電阻對(duì)軸向拉應(yīng)變的靈敏度高達(dá)104[31]，正交搭接的碳纖維接觸電阻在彈性范圍內(nèi)可從99Ω急劇增加到8000Ω[32]，均表現(xiàn)出遠(yuǎn)高于碳纖維單絲的力阻靈敏性。

當(dāng)材料變形發(fā)展到一定程度，碳纖維間的局部接觸點(diǎn)會(huì)發(fā)生脫離，從而引起CFRP導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的變化，由于這一現(xiàn)象發(fā)生在樹(shù)脂基體中，不太容易直接觀測(cè)。有學(xué)者采用無(wú)基體的連續(xù)碳纖維[33]和短切碳纖維氈[34]進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，在一定程度上揭示這種效應(yīng)的機(jī)理。

3.2 CFRP力阻效應(yīng)的電場(chǎng)傳輸物理模型

在微觀力阻現(xiàn)象分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)等效電阻模型的建立，探索力阻效應(yīng)在材料內(nèi)部的傳輸機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)宏觀力阻效應(yīng)的預(yù)測(cè)，這方面的研究對(duì)于揭示CFRP力阻效應(yīng)的本質(zhì)具有重要意義。

研究發(fā)現(xiàn)，CFRP中的連續(xù)碳纖維并非呈完全筆直的形態(tài)，而是呈現(xiàn)波紋狀[35]，在這一前提下，針對(duì)單向CFRP，若忽略纖維間的接觸電阻，可建立一種并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并用單位截面上鄰近碳纖維搭接點(diǎn)的數(shù)目反映這種材料導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的基本特征(圖1)[36]，這一方法對(duì)于單向CFRP電阻的預(yù)測(cè)具有較好的精確度，但無(wú)法直接應(yīng)用于力阻效應(yīng)的預(yù)測(cè)。

圖1 基于纖維波紋形態(tài)的單向CFRP導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[36]Fig.1 Conductive network structure for unidirectional CFRP based on fiber waviness[36]

若考慮碳纖維間的接觸電阻，可用一二維電阻模型描述單向CFRP的縱向及橫向電阻結(jié)構(gòu)(圖2)。Keiji Ogi等[37]基于此模型對(duì)其單向受拉情況下的力阻效應(yīng)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果顯示該模型很好地表現(xiàn)了力阻效應(yīng)在線性區(qū)域和非線性區(qū)域的響應(yīng)，通過(guò)將力阻靈敏度表示為偏軸角度的函數(shù)，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出當(dāng)偏軸角度在12°時(shí)靈敏度將達(dá)到最大值。

圖2 單向CFRP的二維導(dǎo)電結(jié)構(gòu)模型[37]Fig.2 An two-dimensional equivalent circuit model for unidirectional CFRP[37]

圖3 CFRP層合梁表面電阻的等效電學(xué)模型[38]Fig.3 Equivalent electrical model for calculating the surface resistance of CFRP laminated beam[38]

層合板是常見(jiàn)的CFRP結(jié)構(gòu)形式，CFRP層合板的宏觀力阻效應(yīng)不僅來(lái)源于各層層內(nèi)的電阻變化，還與層與層間接觸電阻的變化有關(guān)，朱四榮等[38]建立了CFRP層合梁在彎曲變形下力阻效應(yīng)的理論分析模型(圖3)，模型中將層間接觸用2個(gè)等效電阻來(lái)反映，并考慮表面電阻隨彎曲變形的響應(yīng)主要?dú)w因于厚度方向電流滲透程度的變化，其模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。

總體上說(shuō)，目前電場(chǎng)傳輸物理模型的研究主要集中在連續(xù)碳纖維特別是單向連續(xù)碳纖維增強(qiáng)塑料上，還未出現(xiàn)以短切碳纖維增強(qiáng)塑料為對(duì)象的研究報(bào)道，盡管近年來(lái)針對(duì)其他基體的短切碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力阻效應(yīng)的模型已有建立[39-41]，但由于樹(shù)脂與這些基體材料在力學(xué)性能或?qū)щ娦阅苌洗嬖诿黠@的差異，因此，其相關(guān)模型并不完全適用。

4 CFRP力阻傳感器

4.1 內(nèi)嵌式CFRP傳感器

將具有力阻效應(yīng)的CFRP材料預(yù)埋于結(jié)構(gòu)內(nèi)部，形成內(nèi)嵌式傳感器以感知結(jié)構(gòu)的變形和損傷情況，這是應(yīng)用CFRP力阻效應(yīng)的主要方式之一。相對(duì)于目前最常用的內(nèi)嵌式傳感器——嵌入式光纖光柵，內(nèi)嵌式CFRP傳感器由于傳感穩(wěn)定性的欠缺，還不能廣泛地推廣應(yīng)用，但它的實(shí)施成本較為低廉，且能為結(jié)構(gòu)提供一定的承載力，因而得到研究人員的重視，目前這方面的研究主要有：

哈工大歐進(jìn)萍院士等[42-43]研制了用于普通混凝土結(jié)構(gòu)的CFRP加強(qiáng)筋。CFRP筋采用拉擠方式成型，其抗拉強(qiáng)度為1000～3000MPa，彈性模量為100～200GPa，其電阻隨拉應(yīng)變?cè)黾佣龃蟆Ｒ虼?，它既可以用作結(jié)構(gòu)的受力筋又可以用作混凝土結(jié)構(gòu)的傳感器。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，CFRP加筋混凝土梁破壞時(shí)CFRP筋的電阻變化率僅為其傳感極限的5%～10%，因而可以滿足混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的需要。

E. H?ntzsche等[44-45]在玻璃纖維/聚丙烯混雜紗加工成紡織品的過(guò)程中，利用提花系統(tǒng)預(yù)先選擇性地導(dǎo)入碳纖維經(jīng)紗或緯紗，碳纖維紗線在空間上各自分開(kāi)，只在交叉點(diǎn)處有接觸，利用樹(shù)脂基中碳纖維的力阻效應(yīng)，在復(fù)合材料中形成縱橫交錯(cuò)的復(fù)合傳感結(jié)構(gòu)，感知結(jié)構(gòu)的變形信息。這一技術(shù)對(duì)于結(jié)構(gòu)荷載的定位識(shí)別具有較好的效果。

尹紅宇等[46]將樹(shù)脂基碳纖維/玻璃纖維混合織物嵌入混凝土板材中形成智能TRC(Textile Reinforced Concrete，簡(jiǎn)稱(chēng)TRC)復(fù)合結(jié)構(gòu)，并將其作為加固材料應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)受到載荷作用時(shí)，智能TRC板的荷載-電阻曲線與結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線基本一致，力阻靈敏系數(shù)達(dá)到20。因此，智能TRC板加固混凝土結(jié)構(gòu)，不僅能為結(jié)構(gòu)提供有效承載力和延性，還能對(duì)結(jié)構(gòu)的變形和損傷演化過(guò)程進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

4.2 CFRP智能表層

在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，作為最常用的應(yīng)變傳感器，電阻應(yīng)變片具有一定的局限性：一方面由于尺寸的限制，電阻應(yīng)變片只能在狹小的有限區(qū)域內(nèi)檢測(cè)；另一方面其蠕變、老化及溫度變化也會(huì)影響長(zhǎng)期檢測(cè)的可靠性。有學(xué)者提出，將CFRP材料敷設(shè)在結(jié)構(gòu)表面形成智能表層[23]，通過(guò)測(cè)量CFRP智能表層的電阻變化來(lái)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的變形與損傷。這種方式一方面不受尺寸的限制，可以大面積的敷設(shè)，另一方面CFRP本身優(yōu)異的材料性能以及與結(jié)構(gòu)良好的結(jié)合性保證了該傳感器在使用過(guò)程中的耐久性，從而為長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)提供可能。

由于價(jià)格相對(duì)低廉且便于敷設(shè)，CFRP智能表層往往采用短切碳纖維制作。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)未發(fā)生損傷時(shí)，CFRP智能表層的響應(yīng)曲線能線性地、可回復(fù)地表現(xiàn)結(jié)構(gòu)的變形[23]，也能以拐點(diǎn)的形式反映結(jié)構(gòu)損傷的產(chǎn)生[26]；在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的情況下，CFRP的電阻響應(yīng)還能對(duì)裂縫的擴(kuò)展進(jìn)行監(jiān)測(cè)[47-48]。

值得注意的是，CFRP智能表層具有場(chǎng)域監(jiān)測(cè)的潛力[49-50]，其主要思路是將智能表層大面積地敷設(shè)在結(jié)構(gòu)表面，通過(guò)周邊電極的布置以建立敏感場(chǎng)，利用電阻率層析成像技術(shù)反演得到敏感場(chǎng)內(nèi)的電阻率變化量的分布，以此來(lái)全面地反映結(jié)構(gòu)的應(yīng)變。其意義在于：將現(xiàn)階段離散點(diǎn)或應(yīng)變平均量的單方向測(cè)量擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)場(chǎng)域多維應(yīng)變的檢測(cè)，并將結(jié)果用圖像形式呈現(xiàn)。但在現(xiàn)階段這一技術(shù)的應(yīng)用還面臨一定的障礙，其主要原因在于：反演得到的電阻率變化云圖可以定性地反映結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分布特征[50]，但是，由于在二維情形下，CFRP的電阻(率)變化量與變形的映射關(guān)系尚未建立，因此還無(wú)法得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變的具體數(shù)值。

5 結(jié) 論

CFRP力阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)已有近三十年，但迄今為止，在實(shí)際工程中CFRP仍只作為結(jié)構(gòu)材料在使用，穩(wěn)定性的欠缺是其不能取代應(yīng)變片、光纖光柵等傳統(tǒng)傳感器的關(guān)鍵因素。

因此，提升CFRP力阻性能的穩(wěn)定性是今后的重要研究方向。與此同時(shí)，針對(duì)CFRP力阻響應(yīng)的行為和機(jī)理，還存在若干方向需要深入研究，比如復(fù)雜應(yīng)力應(yīng)變下的力阻響應(yīng)機(jī)理、CFRP的動(dòng)力響應(yīng)機(jī)制等，這將是CFRP發(fā)揮其場(chǎng)域監(jiān)測(cè)功能并擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)。

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ResearchStateofPiezoresistivityofCFRP

ZHENGHuasheng1,ZHUSirong2,LIZhuoqiu2

(1.SchoolofScience,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430081,China;2.SchoolofScience,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

The discovery of piezoresistivity of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) which is considered as advanced structural material has attracted wide attention. Based on the research results, the piezoresistive behavior of CFRPs reinforced by continuous carbon fibers and short carbon fibers was outlined, respectively, and the mechanism of the piezoresistivities was analyzed with the piezoresistivity at the microscopic level and the physical model for electrical transmission as well. Moreover, the embedded CFRP piezoresistive sensor and CFRP smart layer were presented. On this basis, the factor which hindering the application of CFRP as strain sensor and the future research consideration were summarized.

CFRP; piezoresistivity; structural health monitoring

2016-09-08；

2016-10-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51608401)；湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016CFB265)

鄭華升(1981-)，講師，博士后，研究方向?yàn)樘祭w維智能復(fù)合材料。E-mail:whutzhs@sina.com。

1673-2812(2017)06-1009-06

TB332

A

10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2017.06.028