碳纤维增强塑料(CFRP)力阻效应的研究评述

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(1.武汉科技大学 理学院，湖北 武汉 430081； 2.武汉理工大学 理学院，湖北 武汉 430070)

碳纤维增强塑料(CFRP)力阻效应的研究评述

郑华升1，朱四荣2，李卓球2

(1.武汉科技大学理学院，湖北武汉430081；2.武汉理工大学理学院，湖北武汉430070)

碳纤维增强塑料(CFRP)作为一种先进结构材料，其力阻效应的发现引起了广泛关注。基于现有研究成果，分别概述了连续碳纤维增强塑料和短切碳纤维增强塑料的力阻行为，从微观力阻现象和电场传输物理模型两方面分析了力阻效应产生的机理，并对内嵌式CFRP力阻传感器和CFRP智能表层进行了介绍。在此基础上，总结了制约CFRP在传感领域应用的因素并指出了未来研究方向。

碳纤维增强塑料CFRP； 力阻效应； 结构健康监测

1 前 言

碳纤维增强塑料(Carbon fiber reinforced polymer，简称CFRP)是一种轻质、高强、高模量的先进复合材料[1-3]。研究表明，CFRP具有力阻效应，表现为受力变形时其电阻(率)会发生变化，依此可将材料的应力应变信息转化为电信号进行检测，这一方面使得CFRP作为结构材料使用的同时能为自身的变形与损伤提供一种自检测方式，另一方面也可能为一般结构的健康监测开辟新的途径。自1989年Schulte[4]发现CFRP力阻效应以来，针对各种类型的CFRP力阻效应的研究相继展开，本文从CFRP力阻行为、CFRP力阻响应机理和CFRP力阻传感器这三个方面对现有研究进行评述。

2 CFRP的力阻行为

2.1 连续碳纤维增强塑料的力阻效应

CFRP的增强相分为连续碳纤维和短切碳纤维增强两种形式。其中，连续碳纤维增强塑料力学性能优异，应用广泛，其力阻效应是当前研究热点。在多数情况下，连续碳纤维增强塑料的力阻响应在一定范围内具有良好的线性和回复性[5-9]，而当损伤发生时则表现出不可逆的电阻变化[10-12]，因此，力阻效应能对结构的变形与损伤检测提供依据。灵敏度(单位应变导致的电阻相对变化量)是评价塑料力阻性能的最为关键的指标。现有文献报道的连续碳纤维增强塑料的灵敏度绝对值通常在100以下[5-17]，且分布极为离散。造成连续碳纤维增强塑料灵敏度存在差异的主要原因在于以下两个方面。

2.1.1电阻测试方式 常规的电阻测试方法有2电极法和4电极法。2电极法的优点在于无需电流激励，可直接测试材料的电阻，应用于实际测量时较为便捷，但其电阻响应不仅来源于材料的力阻效应，同时还包含了电极与试样间接触电阻的变化[13-14]。4电极法理论上消除了接触电阻的影响，测试结果更为准确，但是，实际操作中电极粘贴质量的好坏直接影响材料内的电场分布，从而使得所测得的灵敏度会存在较大偏差[7,13-14]。

连续碳纤维的导电性具有强烈的各向异性，在树脂基体中，其纵向(沿纤维方向)电阻率约为横向(垂直于纤维方向)电阻率的1/104～1/103[5,13]。电极沿不同方向的布置，对初始电阻和灵敏度均会产生显著的影响[6,15-16]。如文献[16]报道：在室温条件下单向CFRP板的力阻灵敏度在0°方向为3.21，在10°到90°间的各方位上从11.9递减变化到0.685。

2.1.2原材料及工艺 在CFRP的制作过程中，涉及到碳纤维、树脂类型、树脂含量、添加剂类型、铺层方式、固化温度和压力等多方面的工艺参数。这些都是影响CFRP导电性和力阻性的潜在因素。利用纵向电阻以反映材料的纵向变形是最常见的考察连续碳纤维增强塑料力阻效应的实验方法，但是，同是采用此种测试方法，由于原材料和工艺的差异，连续碳纤维的力阻灵敏度可在-89～20 间广泛分布[5-7,13-16]。在现阶段，力阻响应受该因素的影响机理还未见系统的研究，但近年来，以提升连续碳纤维增强CFRP力阻性能为目的，在制作CFRP的过程中，碳纤维的预处理方法已得到重视。一种方法是对碳纤维进行预拉处理，当预拉应力在0～72.28MPa范围内时，单向CFRP的力阻性能有显著提升，其灵敏度最大可达89.9[17]，此外，碳纤维的预拉处理对力阻响应的稳定性和重复性也有明显改善[18]；另一种方法是在碳纤维表面涂刷界面活性剂以增强界面活性，这种方法能使单向CFRP平均灵敏度提升至400左右，同时也能实现很好的动力响应[19-21]。

2.2 短切碳纤维增强塑料的力阻效应

由于在力学性能方面不占优势，以短切碳纤维作为增强相的CFRP很少单独作为结构材料使用，其力阻效应的研究报道也较为少见。短切碳纤维增强塑料宏观上电阻表现出各向同性，因其导电网络依赖于大量碳纤维相互搭接而成，相对于以纤维导电为主的连续碳纤维增强塑料，短切碳纤维增强塑料可以提供更高的力阻灵敏度[22-23]。此外，短切碳纤维增强塑料价格相对低廉，也适合作为涂层大面积敷设在结构表面实施结构的应变传感[23]。

然而，在短切碳纤维增强塑料的制作过程中，如何克服碳纤维在树脂中的团聚、缠绕等不利因素，实现碳纤维的均匀分散是一个很大的难题。因此，尽管短切碳纤维增强塑料表现出的力阻灵敏度较大，但其在传感稳定性上诸如线性度、回复性等方面还不能令人满意。

碳纤维毡增强塑料在导电网络上与传统的短切碳纤维增强塑料具有相似性，二者主要差异在于，碳纤维毡增强中的碳纤维是在平面内(层内)乱向随机分布，而传统的短切碳纤维增强中的碳纤维是在三维空间内乱向随机分布。由于二者均是依赖短切碳纤维本身及其搭接界面导电，从本质上看，其力阻效应具有共性。短切碳纤维毡增强是通过碳纤维毡直接浸润树脂形成复合材料，而在碳纤维毡的生产过程中已将碳纤维均匀分散，用其制成的CFRP也将保持这种固有的理想导电网络结构，基本不存在碳纤维团聚、缠绕等现象，这对于提升力阻效应的稳定性能起到有益作用[24-25]。特别是在多层复合的情形下，形成立体导电网络，能使得线性度和稳定性得到显著提升，但灵敏度有所下降[26]。

3 CRRP力阻响应机理

3.1 CFRP的微观力阻现象

在单调拉伸的情况下，碳纤维裸单丝的电阻随着拉应变增加而单调增大，但其电阻-应变灵敏度只有1.38左右[27-28]，比通常使用的电阻应变片的灵敏度要小，这表明它的电阻-应变效应主要是由尺寸变化引起的。

当碳纤维单丝浸润到树脂中后[29-30]，由于受固化放热产生的残余应力的影响，当拉应变在0～5000με时，碳纤维的电阻随着拉应变增加而单调减小；当拉应变超过5000με时，尺寸效应引起碳纤维的电阻随着拉应变增加而单调增大，总体上看，这种变化量都非常微小，对CFRP的力阻响应影响有限。

树脂基体中碳纤维间接触电阻的变化是引起CFRP力阻响应的主要原因。在树脂基体中，局部搭接的碳纤维接触电阻对轴向拉应变的灵敏度高达104[31]，正交搭接的碳纤维接触电阻在弹性范围内可从99Ω急剧增加到8000Ω[32]，均表现出远高于碳纤维单丝的力阻灵敏性。

当材料变形发展到一定程度，碳纤维间的局部接触点会发生脱离，从而引起CFRP导电网络的变化，由于这一现象发生在树脂基体中，不太容易直接观测。有学者采用无基体的连续碳纤维[33]和短切碳纤维毡[34]进行了实验研究，在一定程度上揭示这种效应的机理。

3.2 CFRP力阻效应的电场传输物理模型

在微观力阻现象分析的基础上，通过等效电阻模型的建立，探索力阻效应在材料内部的传输机制，以实现对宏观力阻效应的预测，这方面的研究对于揭示CFRP力阻效应的本质具有重要意义。

研究发现，CFRP中的连续碳纤维并非呈完全笔直的形态，而是呈现波纹状[35]，在这一前提下，针对单向CFRP，若忽略纤维间的接触电阻，可建立一种并联网络结构，并用单位截面上邻近碳纤维搭接点的数目反映这种材料导电结构的基本特征(图1)[36]，这一方法对于单向CFRP电阻的预测具有较好的精确度，但无法直接应用于力阻效应的预测。

图1 基于纤维波纹形态的单向CFRP导电网络结构[36]Fig.1 Conductive network structure for unidirectional CFRP based on fiber waviness[36]

若考虑碳纤维间的接触电阻，可用一二维电阻模型描述单向CFRP的纵向及横向电阻结构(图2)。Keiji Ogi等[37]基于此模型对其单向受拉情况下的力阻效应进行了预测，结果显示该模型很好地表现了力阻效应在线性区域和非线性区域的响应，通过将力阻灵敏度表示为偏轴角度的函数，准确地预测出当偏轴角度在12°时灵敏度将达到最大值。

图2 单向CFRP的二维导电结构模型[37]Fig.2 An two-dimensional equivalent circuit model for unidirectional CFRP[37]

图3 CFRP层合梁表面电阻的等效电学模型[38]Fig.3 Equivalent electrical model for calculating the surface resistance of CFRP laminated beam[38]

层合板是常见的CFRP结构形式，CFRP层合板的宏观力阻效应不仅来源于各层层内的电阻变化，还与层与层间接触电阻的变化有关，朱四荣等[38]建立了CFRP层合梁在弯曲变形下力阻效应的理论分析模型(图3)，模型中将层间接触用2个等效电阻来反映，并考虑表面电阻随弯曲变形的响应主要归因于厚度方向电流渗透程度的变化，其模拟结果与实验数据吻合较好。

总体上说，目前电场传输物理模型的研究主要集中在连续碳纤维特别是单向连续碳纤维增强塑料上，还未出现以短切碳纤维增强塑料为对象的研究报道，尽管近年来针对其他基体的短切碳纤维增强复合材料力阻效应的模型已有建立[39-41]，但由于树脂与这些基体材料在力学性能或导电性能上存在明显的差异，因此，其相关模型并不完全适用。

4 CFRP力阻传感器

4.1 内嵌式CFRP传感器

将具有力阻效应的CFRP材料预埋于结构内部，形成内嵌式传感器以感知结构的变形和损伤情况，这是应用CFRP力阻效应的主要方式之一。相对于目前最常用的内嵌式传感器——嵌入式光纤光栅，内嵌式CFRP传感器由于传感稳定性的欠缺，还不能广泛地推广应用，但它的实施成本较为低廉，且能为结构提供一定的承载力，因而得到研究人员的重视，目前这方面的研究主要有：

哈工大欧进萍院士等[42-43]研制了用于普通混凝土结构的CFRP加强筋。CFRP筋采用拉挤方式成型，其抗拉强度为1000～3000MPa，弹性模量为100～200GPa，其电阻随拉应变增加而增大。因此，它既可以用作结构的受力筋又可以用作混凝土结构的传感器。试验发现，CFRP加筋混凝土梁破坏时CFRP筋的电阻变化率仅为其传感极限的5%～10%，因而可以满足混凝土结构健康监测的需要。

E. Häntzsche等[44-45]在玻璃纤维/聚丙烯混杂纱加工成纺织品的过程中，利用提花系统预先选择性地导入碳纤维经纱或纬纱，碳纤维纱线在空间上各自分开，只在交叉点处有接触，利用树脂基中碳纤维的力阻效应，在复合材料中形成纵横交错的复合传感结构，感知结构的变形信息。这一技术对于结构荷载的定位识别具有较好的效果。

尹红宇等[46]将树脂基碳纤维/玻璃纤维混合织物嵌入混凝土板材中形成智能TRC(Textile Reinforced Concrete，简称TRC)复合结构，并将其作为加固材料应用于混凝土结构，在结构受到载荷作用时，智能TRC板的荷载-电阻曲线与结构的荷载-位移曲线基本一致，力阻灵敏系数达到20。因此，智能TRC板加固混凝土结构，不仅能为结构提供有效承载力和延性，还能对结构的变形和损伤演化过程进行有效监测。

4.2 CFRP智能表层

在结构健康监测中，作为最常用的应变传感器，电阻应变片具有一定的局限性：一方面由于尺寸的限制，电阻应变片只能在狭小的有限区域内检测；另一方面其蠕变、老化及温度变化也会影响长期检测的可靠性。有学者提出，将CFRP材料敷设在结构表面形成智能表层[23]，通过测量CFRP智能表层的电阻变化来监测结构的变形与损伤。这种方式一方面不受尺寸的限制，可以大面积的敷设，另一方面CFRP本身优异的材料性能以及与结构良好的结合性保证了该传感器在使用过程中的耐久性，从而为长期监测提供可能。

由于价格相对低廉且便于敷设，CFRP智能表层往往采用短切碳纤维制作。实验发现，在结构未发生损伤时，CFRP智能表层的响应曲线能线性地、可回复地表现结构的变形[23]，也能以拐点的形式反映结构损伤的产生[26]；在结构出现裂缝的情况下，CFRP的电阻响应还能对裂缝的扩展进行监测[47-48]。

值得注意的是，CFRP智能表层具有场域监测的潜力[49-50]，其主要思路是将智能表层大面积地敷设在结构表面，通过周边电极的布置以建立敏感场，利用电阻率层析成像技术反演得到敏感场内的电阻率变化量的分布，以此来全面地反映结构的应变。其意义在于：将现阶段离散点或应变平均量的单方向测量扩展到结构场域多维应变的检测，并将结果用图像形式呈现。但在现阶段这一技术的应用还面临一定的障碍，其主要原因在于：反演得到的电阻率变化云图可以定性地反映结构的应力应变分布特征[50]，但是，由于在二维情形下，CFRP的电阻(率)变化量与变形的映射关系尚未建立，因此还无法得到结构应力应变的具体数值。

5 结 论

CFRP力阻效应的发现已有近三十年，但迄今为止，在实际工程中CFRP仍只作为结构材料在使用，稳定性的欠缺是其不能取代应变片、光纤光栅等传统传感器的关键因素。

因此，提升CFRP力阻性能的稳定性是今后的重要研究方向。与此同时，针对CFRP力阻响应的行为和机理，还存在若干方向需要深入研究，比如复杂应力应变下的力阻响应机理、CFRP的动力响应机制等，这将是CFRP发挥其场域监测功能并扩展其应用领域的重要基础。

[1] 郭玉琴,孙民航,杨艳,汤鹏鹏. 不同态碳纤维复合材料冲裁断裂行为[J].材料科学与工程学报, 2015, 33(3):362～367.

[2] 刘晓明,俞晓桑,王玖,张世全,胡伯仁.不同防护碳纤维复合材料层合板雷击后的轴向压缩试验[J].材料科学与工程学报,2016, 34(3):375～377.

[3] 张建民, 卢雪峰, 等. 2.5维碳纤维机织酚醛树脂基摩擦材料的力学性能[J]. 材料科学与工程学报, 2015, 33(6):884～888.

[4] K. Schulte, Ch. Baron. Load and Failure Analyses of CFRP Laminates By Means of Electrical Resistivity Measurements[J]. Composites Science and Technology, 1989,36(1): 63～76.

[5] Todoroki A., Yoshida J. Electrical Resistance Change of Unidirectional CFRP Due to Applied Load[J]. Jsme International Journal, 2004, 47(3):357～364.

[6] Christner C., Horoschenkoff A, Rapp H.. Longitudinal and Transverse Strain Sensitivity of Embedded Carbon Fibre Sensors[J]. Journal of Composite Materials, 2013, 47(2):155～167.

[7] N. Angelidis, C.Y. Wei, P.E. Irving. The Electrical Resistance Response of Continuous Carbon Fibre Composite Laminates to Mechanical Strain[J]. Composites:Part A, 2004, 35(10): 1135～1147.

[8] Daojun Wang, D.D.L. Chung. Through-Thickness Piezoresistivity in a Carbon Fiber Polymer-matrix Structural Composite for Electrical Resistance-based Through-thickness Strain Sensing[J]. Carbon, 2013, 60(12):129～138.

[9] Dwayne A.Gordon,Shoukai Wang, D.D.L. Chung. Piezoresistivity in Unidirectional Continuous Carbon Fiber Polymer-matrix Composites: Single-lamina Composite Versus Two-lamina Composite[J]. Instrumentation Science & Technology, 2004, 11(1): 95～103.

[10] A. Todoroki, K. Yamad, Y. Mizutani, Y. Suzuki, R. Matsuzaki. Impact Damage Detection of a Carbon-fibre-reinforced-polymer Plate Employing Self-sensing Time-domain Reflectometry[J]. Composite Structures, 2015, 130:174～179.

[11] J. Wen, Z. Xia, F. Choy. Damage Detection of Carbon Fiber Reinforced Polymer Composites Via Electrical Resistance Measurement[J]. Composites Part B, 2011, 42(1):77～86.

[12] Kupke M., Schulte K., Schuler R.. Non-Destructive Testing of FRP By D.C. and A.C. Electrical Methods[J]. Composites Science and Technology, 2001, 61(6):837～847.

[13] D.D.L. Chung, Shoukai Wang. Discussion on Paper ‘the Electrical Resistance Response of Continuous Carbon Fibre Composite Laminates to Mechanical Strain’ by N. Angelidis, C.Y. Wei and P.E. Irving, Composites: Part A 35, 1135-1147 (2004) [J]. Composites Part A, 2006, 37(9): 1490～1494.

[14] N. Angelidis, C.Y. Wei, P.E. Irving. Response to Discussion of Paper: the Electrical Resistance Response of Continuous Carbon Fibre Composite Laminates to Mechanical Strain[J]. Composites Part A, 2006, 37 (9):1495～1499.

[15] A. Todoroki,Y.,Samejima,Y. Hirano,R. Matsuzaki. Piezoresistivity of Unidirectional Carbon/Epoxy Composites for Multiaxial Loading[J]. Composites Science & Technology, 2009, 69(11): 1841～1846.

[16] Keiji Ogi, Hiroki Inoue, et al. An Electromechanical Model for the Temperature Dependence of Resistance and Piezoresistance Behavior in a CFRP Unidirectional Laminate[J]. Composites Science & Technology, 2008, 68(2):433～443.

[17] Huang Li, Gongxue Jin, Sun Mingqing. Experimental Research on the Sensing Properties of Resin-composite with Continuous Carbon Fiber[J]. Journal of Functional Materials, 2010, 41(8): 1402～1405.

[18] Huang H., Wu Z.S., Yang C.Q.. Electrical Sensing Properties of Carbon Fiber Reinforced Plastic Strips for Detecting Low-Level Strains[J]. Smart Materials & Structures, 2012, 21(3):290～298.

[19] 吕泳. 碳纤维智能束的功能特性及其应用研究[D].武汉理工大学博士学位论文,李卓球,武汉,武汉理工大学,2011.10.

[20] Lv Yong, Zhu Sirong, Li Zhuoqiu, Fang Xi. Piezoresistivity of Modified Carbon Fiber Polymer-matrix Composites[J]. Advanced Materials Research, 2011, 214(214): 607～611.

[21] 朱四荣,周志勇,等. 基于连续碳纤维/树脂智能材料的梁结构应变模态表征[J]. 复合材料学报, 2013, 30(3): 240～246.

[22] Xiaojun Wang, D.D.L. Chung. Short Carbon Fiber Reinforced Epoxy as a Piezoresistive Strain Sensor[J]. Smart Materials & Structures, 1995, 4(4): 363～367.

[23] Xiaojun Wang, D.D.L. Chung. Short Carbon Fiber Reinforced Epoxy Coating as a Piezoresistive Strain Sensor for Cement Mortar[J]. Sensors & Actuators a Physical, 1998, 71(3): 208～212.

[24] Huasheng Zheng,Sirong Zhu,Zhuoqiu Li.Continuous Deformation Monitoring by Polymer-matrix Carbon Fiber Sensitive Layer[J]. Journal of Wuhan University of Technology- materials Science Edition, 2016, 31(3): 705～712.

[25] 王钧,刘东,张联盟. 碳纤维增强聚合物基复合材料自诊断性能研究[J].武汉理工大学学报, 2002, 24(4): 36～38.

[26] 郑华升,朱四荣,李卓球. 碳纤维毡/环氧树脂复合材料的力阻效应[J]. 功能材料, 2015, 46(11): 11085～11093.

[27] 郑立霞,李卓球,宋显辉,吕泳. 连续碳纤维单丝的应变电阻效应[J]. 功能材料, 2008, (3): 440～442.

[28] Zheng Lixia, Li Zhuoqiu, Song Xianhui, Lv Yong. Deformation Resistance Effect of PAN-Based Carbon Fibers[J]. Journal of Wuhan University of Technology-materials Science Edition, 2009, 24(3): 415～417.

[29] Xiaojun Wang, et al. Piezoresistive Behavior of Carbon Fiber in Epoxy[J]. Carbon, 1997, 35(10～11): 1649～1651.

[30] Nataliya Kalashnyk, Eric Faulques, et al. Strain Sensing in Single Carbon Fiber Epoxy Composites by Simultaneous In-situ Raman and Piezoresistance Measurements[J].Carbon, 2016, 109: 124～130.

[31] 朱四荣,郑华升,李卓球. 树脂基搭接碳纤维智能层的力阻特性[J].复合材料学报, 2010, 27(3): 111～115.

[32] 方玺,葛权耕,朱四荣,李卓球. 接触电阻受载时的变换规律研究[J].功能材料, 2012, 43(20): 2815～2817.

[33] 周文松,李惠,欧进萍．无环氧树脂基碳纤维束自监测功能[J].复合材料学报, 2003, 22(12): 47～51.

[34] 宋显辉,吕泳,张小玉,李卓球. 碳毡传感特性研究[J]. 新型炭材料, 2008, 23 (2): 189～192.

[35] M. R. Piggott. The Effect of Fibre Waviness on the Mechanical Properties of Unidirectional Fibre Composites: a Review[J]. Composites Science & Technology, 1995, 53(2): 201～205.

[36] 沈烈,益小苏.一个单向碳纤维增强树脂基复合材料导电结构[J]. 复合材料学报, 1998, 15(3): 66～70.

[37] Keiji Ogi, Yoshihiro Takao. Characterization of Piezoresistance Behavior in a CFRP Unidirectional Laminate[J]. Composites Science and Technology, 2005, 65(2): 231～239.

[38] Sirong Zhu, D.D.L. Chung. Analytical Model of Piezoresistivity for Strain Sensing in Carbon Fiber Polymer-matrix Structural Composite Under Flexure[J]. Carbon, 2007, 45(8): 1606～1613.

[39] L. Wang,C. Xu,Y. Li. Piezoresistive Response to Changes in Contributive Tunneling Film Network of Carbon Nanotube/Silicone Rubber Composite Under Multi-load/Unload [J]. Sensors & Actuators A Physical, 2013, 189(2): 45～54

[40] Zhu S., Chung D. D. L. Theory of Piezoresistivity for Strain Sensing in Carbon Fiber Reinforced Cement Under Flexure[J]. Journal of Materials Science, 2007, 42(15): 6222～6233.

[41] Wen S., Chung D. D. L. Model of Piezoresistivity in Carbon Fiber Cement[J]. Cement & Concrete Research, 2006, 36(10): 1879～1885.

[42] 欧进萍,王勃,张新越,何政,钱民中.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.

[43] 王勃,欧进萍,张新越,何政.CFRP筋及其加筋混凝土梁感知性能试验与分析[J].哈尔滨工业大学学报, 2007, 39(12): 220～224.

[44] E. Häntzsche, Matthes A., et al. Characteristics of Carbon Fiber Based Strain Sensors for Structural-health Monitoring of Textile-Reinforced Ther-moplastic Composites Depending on the Textile Technological Integration Process[J]. Sensors Actuators A Phys, 2013, 203: 189～203.

[45] E. Häntzsche, R. Unger, A. Nocke, D..Hutloff, C..Cherif, 王伟. 碳纤维长丝纱传感网络在空间分辨监测用纤维增强复合材料中的应用[J]. 国际纺织导报, 2015, 43(1): 50～52.

[46] 尹红宇, 吉晨彬, 荀勇,孙帅. 智能TRC板加固RC梁力电性能试验研究[J]. 土木工程学报, 2015, (S1): 67～73.

[47] 邓友生,田青芸.树脂基碳纤维智能层电测混凝土表面裂缝宽度[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2011, 42(7): 2120～2125.

[48] 邓友生,李卓球,等.树脂基碳纤维智能层检测混凝土梁裂缝[J]. 华中科技大学学报(自然科学版), 2010, 38(2): 94～96.

[49] Huasheng Zheng, Sirong Zhu, Zhuoqiu Li, Lian Ye. Whole Field Structural Health Monitoring by Polymer-Matrix Carbon Fiber Smart Layer[J]. Manufacturing Processes and System, 2011, 148: 812～817.

[50] Zhang Xiaoyu, Lvyong, Chen Jianzhong, Li Zhuoqiu. Field Sensing Characteristic Research of Carbon Fiber Smart Material[J]. Journal of Wuhan University of Technology-Materials Science Edition, 2015, 30(5): 914～917.

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

国家自然科学基金资助项目(51608401)；湖北省自然科学基金资助项目(2016CFB265)

郑华升(1981-)，讲师，博士后，研究方向为碳纤维智能复合材料。E-mail:whutzhs@sina.com。

1673-2812(2017)06-1009-06

TB332

A

10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2017.06.028