賈樹生, 楊連賀, 白會(huì)肖, 萬振凱
(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院, 天津 300387; 2. 石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河北 石家莊 050081)
三維多向編織復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高模量、低密度、耐沖擊、抗疲勞且結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)等諸多優(yōu)點(diǎn),使其在現(xiàn)代汽車制造、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2];然而,在制造和使用過程中,其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生斷裂、裂紋、纖維脫黏等不同類型的缺陷或損傷,可能引發(fā)一些嚴(yán)重的事故,導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染,甚至造成人員傷亡[3]:因此,智能復(fù)合材料的研發(fā)及復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(Structural Health Monitoring,SHM)顯得尤為重要[4-5]。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是確定結(jié)構(gòu)完整性的革命性創(chuàng)新技術(shù),當(dāng)前SHM方法包括在復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌入某種類型的傳感器或者將傳感器置于結(jié)構(gòu)的外表面,這些傳感器對(duì)應(yīng)變或其他變化作出響應(yīng)以便檢測(cè)損傷。目前研究者開發(fā)的常用技術(shù)包括X射線、超聲波、聲發(fā)射、光纖布拉格光柵、渦流檢測(cè)等,其中部分技術(shù)可對(duì)局部損傷進(jìn)行檢測(cè),但是常常需要對(duì)被檢測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆卸。由于三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的特殊性,傳統(tǒng)方法在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康應(yīng)用方面受到一定影響[6-7]。另外,使用應(yīng)變計(jì)、加速度計(jì)、壓電或壓阻傳感器和光纖傳感器來測(cè)量應(yīng)變、振動(dòng)、諧波頻率,或其他可用于通過將測(cè)量值與已知健康數(shù)據(jù)集進(jìn)行比較來評(píng)估結(jié)構(gòu)健康的參數(shù),這些方法大都僅在傳感器自身附近提供感測(cè);因此,必須放置在擬檢測(cè)的關(guān)鍵區(qū)域處或附近以便檢測(cè)損傷。如果損傷發(fā)生在其他區(qū)域,則可能未被發(fā)現(xiàn)[8];因此,研發(fā)一種既不影響三維編織復(fù)合材料自身結(jié)構(gòu)完整性,又具有良好的機(jī)電特性、持續(xù)穩(wěn)定的傳感器來監(jiān)測(cè)復(fù)合結(jié)構(gòu)的健康狀況是至關(guān)重要的。
碳納米線傳感器因體積小,質(zhì)量輕,導(dǎo)電性強(qiáng),熱穩(wěn)定性高且易于構(gòu)建傳感網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)[9-10],為智能材料及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提供了一種新的途徑[11]。在國外,將碳納米線傳感器用于三維編織復(fù)合材料的研究開展得相對(duì)較早,但大都采用鋪層或黏貼方式進(jìn)行復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)[12-13],未見有將碳納米線與增強(qiáng)纖維共同編織對(duì)三維編織復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的報(bào)道。在國內(nèi),將碳納米線傳感器用于三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的研究表明,作為一種新的綜合和分布式技術(shù),三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中使用碳納米線傳感器是可行的,為其應(yīng)用提供了新的研究方法和研究基礎(chǔ)[14-16]。截至目前,國內(nèi)外對(duì)碳納米線傳感器嵌入三維編織復(fù)合材料后傳感特性的研究尚不多見。
本文從三維編織復(fù)合材料的碳納米線傳感器著手,將其嵌入三維五向編織復(fù)合材料預(yù)制件中,通過單調(diào)拉伸和循環(huán)加載卸載實(shí)驗(yàn),分析嵌入三維編織復(fù)合材料中的碳納米線應(yīng)變傳感特性,通過碳納米線應(yīng)變傳感模型實(shí)現(xiàn)對(duì)三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康狀況的監(jiān)測(cè)。本文研究對(duì)基于碳納米線傳感器的三維編織復(fù)合材料原位監(jiān)測(cè)具有重要意義。
本文采用三維五向四步法編織工藝將碳納米線織入三維編織復(fù)合材料。四步法編織工藝是最常用的一種編織方式,四步法1×1三維編織步驟如圖1[17]所示。編織紗位于攜紗器機(jī)器底盤上方,編織紗垂直懸掛在編織設(shè)備的上方,攜紗器與編織紗之間形成一種對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系。編織過程中,織物形狀由機(jī)器底盤攜紗器的行與列所排成主體攜紗器確定,附攜紗器一般以一定的間隔附加在主體攜紗器的外邊。編織物一般采用主體紗線的行數(shù)m和列數(shù)n來命名,表示為m×n。
圖1 四步法三維編織示意圖Fig.1 Four-step three-dimensional weaving diagram
圖2示出三維五向四步法攜紗器運(yùn)動(dòng)規(guī)律。如圖所示,在每個(gè)編制循環(huán)中,攜紗器運(yùn)動(dòng)分為4步:第1步,相鄰行的攜紗器沿橫向交替運(yùn)動(dòng)1個(gè)單元;第2步,相鄰列的攜紗器沿縱向交替運(yùn)動(dòng)1個(gè)單元;第3步,鄰行相對(duì)運(yùn)動(dòng),方向與第1步的相反;第4步,鄰列相對(duì)運(yùn)動(dòng),與第2步的方向相反;在1個(gè)編制循環(huán)完成后,攜紗器的排列又回到初始位置。在此過程中,攜紗器沿試件成型方向同時(shí)進(jìn)行“打緊”運(yùn)動(dòng),使紗線緊密地交織在一起,最終形成所需的試件。
圖2 三維五向四步法攜紗器運(yùn)動(dòng)規(guī)律Fig.2 Yarn arrangement and movement rules of four steps braiding in 3-dimensional 5-direction weaving.(a) First step; (b)Second step; (c)Third step; (d)Fourth step
為研究結(jié)構(gòu)內(nèi)碳納米線傳感器的傳感特性,在預(yù)制件編織時(shí)每隔一定間距的碳纖維織入1根碳納米線傳感器作為軸紗。為分析編織工藝對(duì)基于三維編織復(fù)合材料的碳納米線傳感特性的影響,本文分別對(duì)不同編織角及不同碳納米線傳感器織入間距(分別采用5和10,即每間隔5根或10根碳纖維織入1根碳納米線,碳納米線與碳纖維數(shù)量之比為1∶5或1∶10)的試件進(jìn)行上述測(cè)試。嵌入碳納米線的三維五向編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 嵌入碳納米線的三維五向編織物空間結(jié)構(gòu)Fig.3 Space structure of carbon nanoyarns embedded into composites in 3-dimensional 5-direction weaves
已有研究表明:只有在非常高的應(yīng)變(15%~20%)條件下,碳納米線才會(huì)被破壞[18];且可與碳纖維一起進(jìn)行編織,同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)起到一定的強(qiáng)化作用,并能對(duì)三維編織復(fù)合材料進(jìn)行損傷檢測(cè)。
在分析基于壓阻效應(yīng)碳納米線傳感器的傳感特性時(shí),首先考慮到歐姆定律:
(1)
式中:R0為碳納米線傳感器的初始電阻;ρ為電阻率;L為碳納米線傳感器的長度;A為碳納米線傳感器的截面積。
電阻變化率ΔR可表示為
(2)
式中,R為碳納米線傳感器變化后的電阻。
碳納米線傳感器長度變化可描述為
(3)
式中,ε11為應(yīng)變系數(shù)。通過分析可知式(3)的第2部分可忽略不計(jì)。依照泊松效應(yīng),碳納米線傳感器的截面變化是橫向同性的,傳感器截面可表示為
A′=A(1-2ν12ε11)
(4)
式中,ν12為碳納米線傳感器的泊松比。經(jīng)變換得
(5)
則
(6)
用應(yīng)變靈敏系數(shù)εGF來表征碳納米線傳感器的應(yīng)變靈敏度:
(7)
碳納米線采用蘇州恒球石墨烯科技有限公司研制的HQCNTs-014(由碳納米管陣列干法紡絲法制備,屬于多壁碳納米管纖維);碳纖維采用T300B-3K;基體材料采用環(huán)氧樹脂TDE-86;固化劑采用70酸酐。
采用天津工業(yè)大學(xué)研制的180×120矩形編織機(jī),實(shí)驗(yàn)所用試件采用三維五向編織工藝及真空輔助樹脂傳遞模塑固化成型工藝(VARTM)在天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所進(jìn)行制備。試件長寬尺寸為250 mm×25 mm,將試件中碳納米線的兩端擦拭干凈后涂抹銀膠,試件中2個(gè)碳納米線端點(diǎn)用銅導(dǎo)線連接,如圖4所示。
圖4 三維編織復(fù)合材料試件樣本Fig.4 Three-dimensional braided composite sample
將制備的嵌入碳納米線傳感器的三維編織復(fù)合材料預(yù)制件作為測(cè)試件,縱向拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)試如圖5所示。即在試件的兩端施加縱向拉伸應(yīng)力,用于測(cè)試其應(yīng)變傳感特性,將其接入傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
圖5 縱向拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)試示意圖Fig.5 Schematic diagram of longitudinal tensile test
采用AG-250KNE型萬能材料試驗(yàn)機(jī)(日本島津公司)記錄拉力和位移數(shù)據(jù);采用50 mm的伸縮儀記錄試件的應(yīng)變數(shù)據(jù);采用電阻應(yīng)變儀記錄機(jī)械加載期間試件的原位電阻。在試件的碳納米線連接導(dǎo)線處連接10 V直流電壓,其他相關(guān)連接設(shè)備如圖6所示。拉伸速度為2 mm/min。本文實(shí)驗(yàn)均在常溫下進(jìn)行。
圖6 應(yīng)變傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.6 Strain sensing experiment system
對(duì)三維五向編織復(fù)合材料的不同試件進(jìn)行連續(xù)承載應(yīng)力增加直至試件斷裂,測(cè)試不同階段的機(jī)械負(fù)載,分析其應(yīng)變傳感變化規(guī)律。本文采用單調(diào)拉伸實(shí)驗(yàn)和循環(huán)加載實(shí)驗(yàn),對(duì)試件的拉伸應(yīng)力、應(yīng)變與碳納米線傳感器電阻變化及應(yīng)變傳感靈敏度等進(jìn)行詳細(xì)分析,其中循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)采用持續(xù)遞增的加載卸載循環(huán),直至試件最終斷裂為止,即進(jìn)行漸進(jìn)損傷累計(jì)(PDA)的實(shí)驗(yàn)方法。當(dāng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械載荷作用時(shí),考慮到三維編織復(fù)合材料試件初始電阻的差異,通過碳納米線傳感器電阻變化率ΔR/R0進(jìn)行狀態(tài)描述。
3.3.1碳納米線單調(diào)拉伸應(yīng)變傳感特性
首先,對(duì)內(nèi)嵌有碳納米線傳感器的三維編織復(fù)合材料試件t01進(jìn)行單調(diào)拉伸實(shí)驗(yàn),應(yīng)力-應(yīng)變及電阻變化的典型結(jié)果如圖7所示。由圖可見,電阻變化率與縱向機(jī)械應(yīng)變呈線性增加,表明允許電流通過的導(dǎo)電通路減少,這與碳納米線傳感器的應(yīng)變傳感機(jī)制有關(guān)。對(duì)圖7中電阻變化率與應(yīng)變進(jìn)行線性擬合,結(jié)果如式(8)所示,擬合復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.988 。
y=2.424 8x-0.673 1
(8)
圖7 試件t01的典型單調(diào)拉伸及電阻變化率曲線Fig.7 Typical monotonic stretch and resistance change rate curve of specimen t01
研究結(jié)果表明,三維編織復(fù)合材料相比碳納米線承受變形的能力要高得多,碳納米線傳感器非常適合于監(jiān)測(cè)破壞極限應(yīng)變遠(yuǎn)小于其應(yīng)變(純碳納米線傳感器的破壞應(yīng)變均值為9.4%,最小值為2.5%)的復(fù)合材料應(yīng)用。與純碳納米線傳感器的應(yīng)變傳感特性相比,嵌入三維編織復(fù)合材料碳納米線傳感器的電阻變化率與應(yīng)變的線性相關(guān)度有所降低。在同等拉伸條件下,嵌入試件后的碳納米線變形要大一些,但是碳納米線傳感器的電阻變化率與拉伸應(yīng)力仍具有較好的線性關(guān)系,并不影響其對(duì)材料進(jìn)行損傷監(jiān)測(cè)。
3.3.2碳納米線循環(huán)加載拉伸應(yīng)變傳感特性
對(duì)內(nèi)嵌有碳納米線的三維編織復(fù)合材料試件t02進(jìn)行PDA實(shí)驗(yàn),以探討碳納米線在三維編織復(fù)合材料大范圍機(jī)械加載下的傳感性能。加載引起材料損傷可在各卸載步后通過殘余應(yīng)變的測(cè)量值觀察到。對(duì)試件t02進(jìn)行直至斷裂的13次逐步遞增的加載卸載循環(huán),其應(yīng)力-應(yīng)變和電阻變化關(guān)系如圖8所示。
圖8 試件t02的應(yīng)力-應(yīng)變及碳納米線電阻變化曲線Fig.8 Stress strain and carbon nanoyarns resistance curves of specimen t02.(a) Stress-strain curve;(b) Strain and carbon nanoyarn sensor resistance curve
從圖8中試件的縱向機(jī)械應(yīng)變、縱向應(yīng)力及碳納米線傳感器的電阻變化隨時(shí)間的變化曲線可看出,應(yīng)變、電阻變化率與應(yīng)力表現(xiàn)出應(yīng)有的單調(diào)一致性,即隨著加載的增加而單調(diào)增加,反之隨著卸載而單調(diào)減小。同時(shí)也發(fā)現(xiàn),在逐步遞增直至斷裂13次持續(xù)漸進(jìn)循環(huán)周期中出現(xiàn)的加載和卸載分支,產(chǎn)生了殘余損傷,即在零機(jī)械載荷下三維編織復(fù)合材料不會(huì)恢復(fù)到絕對(duì)零應(yīng)變,例如:第9次循環(huán)后應(yīng)變約恢復(fù)至0.15%;第11次循環(huán)后約恢復(fù)至0.25%。對(duì)于電氣性能,可以觀察到類似的特性,第5次循環(huán)后(即超過1.0%應(yīng)變后),電阻變化率不會(huì)恢復(fù)至零,隨著應(yīng)力應(yīng)變水平的持續(xù)增加,殘余電阻也相應(yīng)地增大。
從圖8還可看出:在低應(yīng)變水平下(至第4次循環(huán)),卸載后紗線電阻變化恢復(fù)至零值;在超過大約1.0%的應(yīng)變閾值(第5次循環(huán))時(shí),卸載后并未恢復(fù)至零值,存在殘余電阻;隨著每次加載循環(huán)中施加的機(jī)械載荷的增加,殘余電阻以線性方式持續(xù)增加,在該特定點(diǎn)(以下稱為“轉(zhuǎn)變點(diǎn)”)后所有紗線均記錄了殘余電阻變化率,此時(shí),三維編織復(fù)合材料加載循環(huán)拉伸應(yīng)力超過了200 MPa。殘余電阻的臨界值是在第4步卸載后出現(xiàn)的,這實(shí)際上代表了三維編織復(fù)合材料的損傷閾值,進(jìn)一步可檢測(cè)三維編織復(fù)合材料試件內(nèi)部可能產(chǎn)生損傷的階段及類型;因此,這些殘余電阻值可能與三維編織復(fù)合材料中導(dǎo)致的損傷密切相關(guān)。產(chǎn)生殘余電阻的原因有2種:1)三維編織復(fù)合材料試件內(nèi)部(即基體或碳纖維)產(chǎn)生損傷;2)碳納米線傳感器本身產(chǎn)生損壞。已有研究表明碳納米線傳感器可承受的最大應(yīng)變達(dá)20%;而此時(shí)的應(yīng)變只有約1.0%,因此,可排除碳納米線傳感器產(chǎn)生損傷的可能,最有可能的是試件本身發(fā)生了諸如基體裂紋或纖維分離等類型的損傷。試件內(nèi)部損傷導(dǎo)致碳納米線傳感器電阻的變化,但隨著載荷的繼續(xù)增加直至斷裂,碳納米線傳感器電阻變化率和應(yīng)變?nèi)跃哂邢嗨频木€性關(guān)系。
為深入探討三維編織復(fù)合材料損傷以及累計(jì)損傷的發(fā)生,分析三維編織復(fù)合材料的機(jī)械電阻響應(yīng)關(guān)系,分析碳納米線傳感器的傳感特性,對(duì)試件t03進(jìn)行9次持續(xù)遞增的加載卸載階段,具體的加載級(jí)別分別為試件斷裂應(yīng)力的8%、16%、25%、33%、41%、50%、58%、66%和74%。對(duì)試件進(jìn)行的各次加載卸載階段的典型結(jié)果如圖9所示。碳納米線傳感器的電阻變化遵循試件的機(jī)械響應(yīng)即應(yīng)力-應(yīng)變,加載時(shí)電阻增大,卸載時(shí)電阻減小。
從圖9可看出:對(duì)于最初的4次加載卸載階段(最大200 MPa或0.75%應(yīng)變),加載和卸載過程中的電阻變化率遵循相同的模式;第5次加載后,通過加載和卸載階段形成邊界滯后回線,電阻變化未恢復(fù)至零狀態(tài),產(chǎn)生了殘余電阻值,圖中可識(shí)別出加載和卸載分支。為此,在每次加載階段后,記錄了三維編織復(fù)合材料的縱向應(yīng)變殘值,以及嵌入碳納米線傳感器的電阻變化殘值。
碳納米線傳感器嵌入三維編織復(fù)合材料以對(duì)其進(jìn)行損傷檢測(cè),需要分析碳納米線傳感器電阻和機(jī)械應(yīng)變的量化關(guān)系。為此,在各次加載循環(huán)時(shí)記錄并計(jì)算以下參數(shù):1)機(jī)械應(yīng)變差Δε,為加載開始直至達(dá)到最大值的差。其中記錄了殘留值,特別是在較大應(yīng)變時(shí),僅計(jì)算應(yīng)變凈增值,避免殘余應(yīng)變帶來的影響。2)電阻變化差ΔRERC,相應(yīng)地計(jì)算了從每次加載開始直至達(dá)到峰值的電阻變化差值,通過該差值的使用避免上一次加載循環(huán)產(chǎn)生殘余電阻值的影響。3)機(jī)械應(yīng)力差Δσ,計(jì)算了每次加載循環(huán)的機(jī)械應(yīng)力差值,進(jìn)而可計(jì)算應(yīng)力的真實(shí)增加值。
取每次加載循環(huán)的起點(diǎn)和峰點(diǎn)凈值,拉伸應(yīng)變和電阻變化RERC之間的直接相關(guān)性呈近似線性??紤]到需使用RERC來反映相關(guān)機(jī)械應(yīng)變的信息,可采用如下線性方程:
圖9 試件t03逐步加載卸載循環(huán)條件下應(yīng)變和電阻變化關(guān)系圖Fig.9 Strain and resistance change diagrams of specimen t03 in different incremental loading and unloading circulations.(a) First loading-unloading; (b) Second loading-unloading; (c) Third loading-unloading; (d) Fourth loading-unloading; (e) Fifth loading-unloading;(f) Sixth loading-unloading; (g) Seventh loading-unloading; (h) Eighth loading-unloading; (i) Ninth loading-unloading
(9)
式中,εCRS為電阻應(yīng)變相關(guān)系數(shù)。電阻變化的凈差值與機(jī)械應(yīng)變的凈差值呈直接相關(guān)。繪制在電阻變化率(X軸)和應(yīng)變(Y軸)圖上時(shí),此參數(shù)實(shí)際上是每次加載的曲線斜率或者是逆斜率,實(shí)際為應(yīng)變靈敏系數(shù),即εGF=1/εCRS,因此,可針對(duì)各加載循環(huán)按下式計(jì)算:
(10)
根據(jù)式(10)計(jì)算εGF值,每次加載階段的最大軸向應(yīng)變與應(yīng)變靈敏系數(shù)εGF(即1/εCRS)之間的關(guān)系如圖10所示。在軸向應(yīng)變值比較低(<0.85%)時(shí),εGF隨著應(yīng)變的增加快速增大;應(yīng)變較高(即超過0.85%閾值的應(yīng)變)時(shí),1/εCRS與施加的應(yīng)變之間呈線性相關(guān),εGF值隨機(jī)械應(yīng)變的增加基本保持恒定:因此,對(duì)超過該閾值的應(yīng)變水平計(jì)算平均εGF值。
圖10 碳納米線應(yīng)變靈敏系數(shù)與復(fù)合材料應(yīng)變關(guān)系Fig.10 Gauge factor of carbon nanoyarns and strain correlation diagram of composites
使用式(10),利用上述方法構(gòu)建碳納米線應(yīng)變傳感模型,可對(duì)內(nèi)嵌有碳納米線傳感器的三維編織復(fù)合材料進(jìn)行應(yīng)變傳感分析。在機(jī)械加載過程中引起的損傷使材料力學(xué)性能降低,該損傷可通過歸一化彈性模量(E/E0)的降低來檢測(cè)[19]。已有研究表明,該參數(shù)描述了三維編織復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài),隨加載卸載循環(huán)的進(jìn)行不斷減小,通常是由于基體開裂、脫黏等方式引起三維編織復(fù)合材料損傷[20]。
按照上述方法分析引起的三維編織復(fù)合材料損傷,分析了試件歸一化彈性模量與應(yīng)變傳感系數(shù)的關(guān)系,如圖11所示。E/E0值高于0.85%時(shí),2個(gè)參數(shù)之間呈線性相關(guān);而E/E0值低于0.85%時(shí),顯示出的特性不是很明顯:因此,圖10中εCRS值的增大可以通過歸一化彈性模量降低所反映的三維編織復(fù)合材料中誘發(fā)的損傷來解釋,εCRS參數(shù)隨此參數(shù)呈近似線性遞減。但在三維編織復(fù)合材料的后期和斷裂之前,這種線性狀態(tài)終止,實(shí)際上是對(duì)大范圍損傷和最終斷裂的預(yù)測(cè),因?yàn)閼?yīng)變靈敏系數(shù)隨試件損傷的增加而減小。
圖11 三維編織復(fù)合材料的歸一化彈性模量值與應(yīng)變靈敏系數(shù)關(guān)系Fig.11 Normalized elastic modulus and gauge factor correlation diagram of 3-D braided composites
本文實(shí)驗(yàn)中,試件t02、t03具有不同的表面編織角和織入間距,在循環(huán)加載過程中,試件內(nèi)部碳納米線傳感器的電阻變化規(guī)律基本一致,說明編織角對(duì)三維五向編織復(fù)合材料電阻變化率影響不大。另外,2種不同織入間距試件的碳納米線電阻變化與應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)基本一致。由于三維編織復(fù)合材料試件的內(nèi)部織入了碳納米線傳感器,材料內(nèi)部的損傷對(duì)傳感器電阻變化有很大的影響,因此,通過碳納米線傳感器電阻變化的分析可識(shí)別試件內(nèi)部產(chǎn)生的損傷。對(duì)三維編織復(fù)合材料進(jìn)行的PDA測(cè)試表明,只有在超過三維編織復(fù)合材料斷裂應(yīng)力約40%后才會(huì)形成滯后回線,電阻變化值較大。本文研究中的所有碳納米線傳感器均顯示出類似的特性,因而能實(shí)現(xiàn)三維編織復(fù)合材料的應(yīng)變監(jiān)測(cè),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)三維編織復(fù)合材料中漸進(jìn)損傷及累積的更好監(jiān)測(cè)。
1)試件的機(jī)械應(yīng)力與碳納米線傳感器的電阻變化具有很好的線性相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在不同遞增的循環(huán)加載卸載階段,試件在單調(diào)拉伸和循環(huán)加載卸載拉伸(漸進(jìn)損傷累計(jì))情況下,其應(yīng)力與傳感器電阻變化率表現(xiàn)出較好的線性相關(guān)性,并可通過電阻應(yīng)變相關(guān)系數(shù)來描述應(yīng)變傳感方程,可對(duì)三維編織復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)健康狀況進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)。
2)機(jī)械加載階段斷裂應(yīng)力負(fù)載的百分比與碳納米線傳感器的電阻變化之間的直接相關(guān)性,使其可用于三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的應(yīng)變傳感器。碳納米線傳感器的殘余電阻可歸因于試件的損傷或累積損傷所致,三維編織復(fù)合材料達(dá)到一定程度的荷載應(yīng)力時(shí),碳納米線傳感器的電阻變化可用于檢測(cè)結(jié)構(gòu)本身發(fā)生的故障或在服役期間產(chǎn)生的過載損傷,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損傷可由機(jī)械應(yīng)力和電阻變化率進(jìn)行分析。
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