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《武汉理工大学》 2010年
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基于电阻法碳布增强环氧树脂复合材料损伤自诊断的研究

谢小林  
【摘要】:碳/环氧复合材料具有优异的力学性能、耐热性、耐腐蚀性、耐疲劳性,在航空航天、武器装备、国民经济等方面有较广泛的应用。由于碳纤维有良好的导电性,在较高碳纤维含量的碳/环氧复合材料中碳纤维之间相互接触,形成导电网络。当受到外力作用时,复合材料内部结构会发生变化,引起导电网络的变化,进而导致复合材料电阻产生变化。因此,可以利用碳纤维作为复合材料外力传感器,通过复合材料电阻变化来反映其内部结构的变化。 本文选用在航空工业中广泛应用的G803/5224碳布增强环氧树脂预浸料为原料,按照[0/90]、[0/90/±45]、[±45]铺层方向,采用模压成型方法制备了碳纤维体积含量分别为56%、64%的碳/环氧复合材料;依据复合材料通道导电和隧道效应导电的模式,研究了温度变化对复合材料电阻的影响;研究分析了在拉伸、开孔拉伸、压缩、开孔压缩、弯曲、冲击条件下,复合材料的电阻随外力作用的变化规律,确定了复合材料损伤诊断依据;在综合分析冲击能量、冲击损伤(超声F扫描图)、剩余压缩强度、电阻变化等指标的基础上,提出了评价复合材料冲击损伤的新思路;编写了复合材料冲击损伤计算机诊断程序,构建了由复合材料、计算机、多通道数据采集器组成的复合材料冲击损伤自诊断系统,并通过试验得到了验证。 (1)在-50℃-160℃温度范围,不同规格复合材料的电阻均逐渐下降,复合材料表现出负温度系数效应。其中,[±45]8复合材料电阻下降幅度最大,降幅为9.37%。在(-50~-20)℃、(-20~130)℃、(130~160)℃等不同温度区间,随着温度升高,复合材料电阻下降速率并不相同。其中,在(-20-130)℃区间,复合材料电阻下降速率最大。 (2)在拉伸、开孔拉伸、压缩、开孔压缩、弯曲试验中,复合材料的破坏包括环氧树脂的普弹形变、强迫高弹形变、树脂裂纹、树脂破坏、复合材料分层、碳纤维断裂等形式,最终复合材料被破坏。在试验过程中,复合材料中的碳纤维接触状况、自由电子数目会发生变化,使得其中的导电通道、隧道导电效应产生变化从而引起电阻变化。 (3)在拉伸和开孔拉伸试验中,当[0/90]、[0/90/±45]复合材料应变大于1.8%,[±45]复合材料应变大于1.27%时,则在复合材料内部会产生拉伸损伤;当复合材料试样的电阻增幅超过此时的电阻增幅时,则可诊断复合材料试样中存在损伤。在压缩试验中,当[0/90]7、[0/90]8复合材料试样的电阻增幅分别超过3.6%、2.6%时,则可诊断复合材料试样中存在轻微的压缩损伤;当[0/90]7、[0/90]8复合材料试样的电阻增幅分别超过10.2%、3.4%时,则可诊断在复合材料试样中存在较严重的压缩损伤。在弯曲试验中,当[0/90]7、[0/90]8复合材料试样的电阻增幅分别超过25.8%、31.3%时,则可诊断复合材料试样已经断裂;同时,不能依据复合材料电阻变化情况反映复合材料断裂之前的状况。 (4)不同规格的复合材料冲击损伤的能量阈值和损伤容限的冲击能量阈值也各不相同。小于冲击损伤能量阈值的冲击,会使复合材料各电极点间电阻变小。大于冲击损伤能量阂值的冲击使冲击点周围的电极点电阻上升。在相同能量冲击下,不同电极点间电阻变化并不相同是因为冲击能量以冲击点为中心向四周呈放射状扩散,离冲击点越近,冲击作用越明显。大于损伤容限的冲击能量阈值的冲击不仅使复合材料电阻发生明显变化,而且复合材料会被冲击破坏。 (5)在冲击试验中,复合材料上由4个电极点围成的长×宽为6cm×5cm区域中,只要3个电极点或不连续的2个电极点的电阻增幅都小于由复合材料损伤容限冲击能量阈值所引起的所有电极点电阻第二增幅时,冲击后的复合材料仍处“正常”状态;当电阻增幅大于第三增幅时,冲击后的复合材料处于“损伤”状态;当电阻增幅大于穿孔性损伤所引起的第三增幅时,冲击后的复合材料处于“严重损伤”状态。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TB332

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