碳粉掺量对碳纤维筋材力阻效应的影响

刘荣桂++许兆辉++黄俊捷++丁勇++梁戈

摘要：为研究不同碳粉掺量改性基体对碳纤维增强复合材料（CFRP）筋力阻效应的影响，制作了碳粉掺量（质量分数）分别为0%，2%，4%，6%，8%的5组碳粉改性CFRP筋材，通过轴向拉伸试验研究其电阻应变行为。结果表明：碳粉会降低碳纤维筋材的电阻，碳粉改性CFRP筋材在低应力水平阶段的电阻变化率应变关系线性较好，线性判定系数在0.92以上，灵敏度值在20～30之间；极限应变为3%～5%，最大电阻变化率为35%～60%；在低应力水平阶段，碳粉掺量对灵敏度值影响较小。

关键词：CFRP；碳粉；力阻效应；电阻；灵敏度

中图分类号：TU599 文献标志码：A

摘要：为研究不同碳粉掺量改性基体对碳纤维增强复合材料（CFRP）筋力阻效应的影响，制作了碳粉掺量（质量分数）分别为0%，2%，4%，6%，8%的5组碳粉改性CFRP筋材，通过轴向拉伸试验研究其电阻应变行为。结果表明：碳粉会降低碳纤维筋材的电阻，碳粉改性CFRP筋材在低应力水平阶段的电阻变化率应变关系线性较好，线性判定系数在0.92以上，灵敏度值在20～30之间；极限应变为3%～5%，最大电阻变化率为35%～60%；在低应力水平阶段，碳粉掺量对灵敏度值影响较小。

关键词：CFRP；碳粉；力阻效应；电阻；灵敏度

中图分类号：TU599 文献标志码：A

1.2 加载设备

加载设备采用吉林长春机械科学研究院有限公司生产的DNS100电子万能试验加载机。电阻测量选用VICTOR VC890C+型数字万用表。

1.3 试件制备

本次试验共制作了5组碳粉掺量改性树脂基体的CFRP筋，掺量α分别为0%，2%，4%，6%，8%，筋材规格为480 mm×10 mm×10 mm，每组3根，编号分别记为1#，2#，3#，通过拉伸试验研究碳粉掺量对碳粉改性CFRP筋力阻效应的影响。制备筋材的装置见图1，钢模具2两端接入橡胶塞，进液端通过导管连接基体漏斗1，出液端接广口瓶3作保护装置，保护装置3连接真空泵4作动力装置。制作过程为：

（1）将适量的碳纤维丝顺直平铺在钢模具2内，在钢模具2上方放置封装钢条。

（2）向基体漏斗1内添加不同碳粉掺量的改性基体。

（3）打开真空泵4抽真空，通过广口瓶3观察并控制试验进程。

（4）若基体进入广口瓶3中，表明基体已浸润碳纤维丝。

（5）关闭真空泵4，取出钢模具2，对筋材进行养护，脱模。

碳粉改性CFRP筋制备完成后，测量其电阻需要设置电极，以增强测试稳定性。电极引线选用多股铜导线，CFRP筋横截面先用导电银胶粘贴0.02 mm厚的铜箔，铜箔和铜导线用焊锡焊接，保证整个截面的碳纤维丝与铜导线形成通路。电阻测试示意见图2。

1.4 试验方法

碳粉改性CFRP筋制作完成后，分别通2，4，6，8，10 mA的电流，采集筋材的电压信号考察其伏安特性。

对碳粉改性CFRP筋进行轴向拉伸试验，研究碳粉掺量对其力阻效应的影响。轴向拉伸采用位移控制，加载速度为1 mm·min-1。试件的应变由加载机量程50 mm的引伸计获取。试验采用两电极法测量试样电阻，通1 mA恒定电流，用数字万用表采集电极间的电压信号，拉伸试验见图3。

2 试验结果与分析

2.1 初始电阻

5组试件的初始电阻R及电阻均值见图4，结果表明：碳粉改性CFRP筋的电阻随碳粉掺量的增长有所下降，但幅度较小，未表现出文献[16]，[17]的渗流特性。这是由于树脂基碳粉复合材料渗流阈值在8%左右，而碳纤维筋材中的连续碳纤维丝含量（质量分数）已经达到60%，远高于渗流阈值，筋材内部已经形成稳定的导电通道，因而向基体添加碳粉时电阻只会小幅降低。

图4中6%碳粉掺量的筋材电阻较8%碳粉掺量的筋材电阻反而偏低，可能是由于制备该批筋材的内部气泡等缺陷较少，脱模时对筋材的损伤较小，筋材的质量优于其他几组试件。

2.2 伏安特性

图5为碳纤维筋材典型试件的伏安特性曲线，结果表明，电压电流关系的线性度较好，CFRP筋材符合欧姆定律。

2.3 电阻变化率应变关系

图6为碳粉掺量分别为0%，2%，4%，6%，8%的碳粉改性CFRP筋的电阻变化率应变曲线，由于试件浸胶的均匀性、饱满性存在差异，试验结果中极限应变和电阻变化率应变曲线表现出一些离散性，但整体变化规律仍具有较好的一致性。

试验结果表明，碳粉改性CFRP筋的电阻随应变的变化存在3个阶段：

（1）开始阶段，电阻变化率随应变的变化较快，且线性较好。该阶段处于低应力水平，轴向碳纤维是荷载的主要承担者，自然微弯曲状态的碳纤维在拉力作用下变顺直，同时碳纤维受力发生变形，导致碳粉改性CFRP筋的电阻变化率较高。

（2）应变超过1.5%后，随着应变的增大，电阻变化率的增长速度有所降低，且曲线出现波动。该阶段应力相对较大，碳纤维继续发生几何变形，少量碳纤维会被逐根、逐束拉断，引起电阻的波动，但是筋材中仍存在大量稳定通路，导致碳粉改性CFRP筋电阻变化率随应变的变化较前阶段有所降低。

（3）最后阶段，应变超过2.7%后，电阻变化率随应变快速增长直至筋材破坏，极限应变在3%～5%范围内，最大电阻变化率为35%～60%，与文献[14]，[15]的结果接近（电阻变化率范围为30%～45%）。该阶段处于高应力水平，大量碳纤维被拉断，环氧树脂基体无法承受原本由碳纤维承受的荷载，基体即刻断裂，稳定的导电通路破坏，电阻变化率随应变快速增长。

2.4 灵敏度

力阻效应的灵敏度K是传感元件研发的一个重要指标，用来表示单位应变引起的电阻变化率，其计算公式为

K=dR/Rε

（1）

式中：ε为应变；dR为电阻变化量。

可见，灵敏度K受到电阻变化量、初始电阻和应变因素影响。为研究碳粉改性CFRP筋的灵敏度，定量分析了不同碳粉掺量的CFRP筋在低应力阶段的电阻变化率应变关系，如图7所示。其灵敏度计算结果见图8。

由图7，8可知：

（1）碳粉改性CFRP筋的电阻变化率应变关系线性度较好，线性判定系数普遍高于0.92，且试件结果的可重复性较好。

（2）碳粉改性CFRP筋的灵敏度值范围在20～30之间，掺入碳粉CFRP筋的灵敏度值会略有增加，但影响较小。其原因与图4的初始电阻受碳粉掺量影响原因一致，CFRP筋中导电通道较为稳定，向基体添加碳粉时，不同应力水平下碳粉对改性CFRP筋电阻率变化贡献较小，即对灵敏度值影响较小。

（3）当碳粉掺量为6%时，碳粉改性CFRP筋的灵敏度值最大为29.4，明显高于其他组试件的试验结果，与图4中的初始电阻规律相一致，该组筋材的质量相对较好。

3 结 语

（1）碳粉改性CFRP筋的初始电阻随碳粉掺量的增长有所下降，但幅度较小。

（2）碳粉改性CFRP筋的电阻变化率随应变变化存在3个阶段：低应力水平阶段电阻变化率随应变的变化较快，且线性较好；应变增大后电阻变化率随应变的变化速度有所降低，并且曲线出现波动；高应力水平阶段电阻变化率随应变快速增长，极限应变为3%～5%，最大电阻变化率为35%～60%。

（3）低应力水平阶段碳粉改性CFRP筋的电阻变化率应变关系线性较好，线性判定系数在0.92以上，灵敏度值在20～30之间，但碳粉掺量对碳纤维筋材的灵敏度值影响较小。

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