CN1924124A

CN1924124A - 一种混杂碳纤维复合材料及其制备方法与应用

Info

Publication number: CN1924124A
Application number: CN 200510093675
Authority: CN
Inventors: 吴智深; 杨千才; 叶列平
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2005-09-01
Filing date: 2005-09-01
Publication date: 2007-03-07

Abstract

本发明公开了一种混杂碳纤维复合材料及其制备方法与应用。本发明所提供的混杂碳纤维复合材料，包括弹性模量为500－650GPa的碳纤维A，弹性模量为360－450GPa的碳纤维B，和拉伸强度为3200－5000MPa的碳纤维C。由于所用的碳纤维具有很高的比强度和比刚度等力学性能，以及良好的导电性和压阻效应等传感性能，将本发明的混杂碳纤维复合材料用在具体的结构上，既可以起到补强材料的作用，又可以同时起到传感材料的作用，来监测结构内部的应力·应变状态和损伤状况。

Description

一种混杂碳纤维复合材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种混杂碳纤维复合材料及其制备方法与应用，特别是涉及一种混杂碳纤维复合材料及以其为主要构件制作的监测结构的应变和损伤状况的装置，以及该复合材料在监测结构的应力、应变和损伤上的应用。

背景技术

碳纤维具有很高的比强度和比刚度等优越的力学性能，其强度大约为铁的10倍，而密度只有钢的1/4～1/5，而且具有很好的耐久性和优良的耐腐蚀性，因此作为补强或结构材料在很多领域得到广泛的应用。通常在作为补强材料使用的时候，碳纤维用树脂进行含浸(即用环氧树脂将碳纤维进行浸润后硬化)，制成片状、棒状或格栅等形状。碳纤维还具有良好的导电性和压阻效应，即在碳纤维出现断裂之前电阻随着应变呈线性增长，根据这些性质，不仅可以判断加载过程中某点的应力/应变大小，而且也可以根据残留电阻来判断结构之前所承受过的最大应力或应变，这种性质可以应用到实际的工程中来监测结构的应变状态或损伤状况，以便提高结构的安全性和耐久性。

以前也有关于利用上述碳纤维性质的研究，如专利文献(日本专利第3201837号公报)将导电性的纤维束和非导电性的玻璃纤维束进行混合，制成含有导电性纤维的复合材料，并提出了可以监测该含有导电纤维的复合材料和粘贴该含有导电纤维的复合材料的结构的应力状态的方法以及装置。

对于只含有一种导电相(如碳纤维)的纤维增强复合材料，在导电纤维出现断裂的之前，电阻的变化率很小，通常小于2％，监测精度有待于提高而且也不能进行分阶段性监测；而且，材料往往容易出现脆性断裂，即在突然断裂前材料处于线弹性阶段，在某一应变幅度下材料突然断裂；同时，由于碳纤维的断裂，在整个材料的电阻变化率变化不大的情况下失去了传感功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种混杂碳纤维复合材料及其制备方法。

本发明所提供的混杂碳纤维复合材料，包括弹性模量为500-650GPa的碳纤维A，弹性模量为360-450GPa的碳纤维B，和拉伸强度为3200-4000MPa的碳纤维C。

其中，在混杂碳纤维复合材料中碳纤维A所占的体积百分含量为10-30％，碳纤维B所占的体积百分含量为15-40％，碳纤维C的体积百分含量为30-70％；这些碳纤维混杂后用环氧树脂进行含浸(即用环氧树脂对这些纤维进行浸润后硬化)。

制备这种混杂碳纤维复合材料的方法，是将体积百分含量为10-30％的弹性模量为500-650GPa的碳纤维A，体积百分含量为15-40％的弹性模量为360-450GPa的碳纤维B以及体积百分含量为30-70％的拉伸强度为3200-5000MPa的碳纤维C经环氧树脂含浸、混杂和硬化而成。

其中，所述含浸一般在室温下进行，含浸后可在室温下养护4-5天，或者在40-45℃下养护2-3天，养护温度通常不超过50℃。

本发明的另一个目的是提供本发明的混杂碳纤维复合材料的应用。

由于所用的碳纤维具有很高的比强度和比刚度等力学性能，以及良好的导电性和压阻效应等传感性能，将本发明的混杂碳纤维复合材料用在具体的结构上，既可以起到补强材料的作用，又可以同时起到传感材料的作用，来监测结构内部的应力·应变状态和损伤状况。

以本发明混杂碳纤维复合材料为基础，可以制作成一种监测结构的应力、应变和损伤的装置，它包括经环氧树脂含浸的弹性模量为500-650GPa的碳纤维A，弹性模量为360-450GPa的碳纤维B，和拉伸强度为3200-5000MPa的碳纤维C组成的混杂碳纤维复合材料，以及设置在混杂碳纤维复合材料的两端和/或中部的电极。

在本发明中，碳纤维A可称为高弹性模量碳纤维(如日本碳纤维材料C8，其弹性模量为640GPa，或C7其弹性模量为540GPa)，碳纤维B可称为中弹性模量碳纤维(如日本生产的碳纤维C5，其弹性模量为390GPa)，碳纤维C可称为高强度碳纤维(如日本生产的拉伸强度为3,400MPa的高强度碳纤维C1)，从材料的力学性能出发，中弹性模量和高弹性模量的碳纤维主要是用来增加材料的刚度以满足有些场合对复合材料刚度的要求，高强度碳纤维主要用来提高材料的承载能力，对于材料既做结构材料又做传感材料的情况下，通常高强度碳纤维的比例要适当增大些，以提高碳纤维复合材料的力学性能和承载能力。从碳纤维复合材料的传感性能出发，高模量碳纤维主要是提高在小应变范围的电阻变化率并可以大大缩小电阻变化率变化不明显的应变范围，即扩大了可以测量的应变范围，中弹性模量的碳纤维主要用来增大小应变范围内的电阻变化率的同时增大了测量的阶段数，当中弹性模量和高弹性模量的碳纤维断裂后高强度碳纤维可以继续保持测量回路处于导通状态，因而高强度碳纤维可以扩大最大应变的测量范围。本发明混杂碳纤维复合材料的力学和电阻变化模型如图1所示，这些碳纤维的共同作用改善了混杂碳纤维复合材料作为结构材料的力学性能，同时也造成了电阻变化率随着应变的增加成阶梯状增长，可以实现对结构的分阶段监测。每种碳纤维的性能应该尽量均匀，以便尽量降低断裂应变的分散性，根据具体使用的不同，可以适当改变三种碳纤维的用量比例，来调整测量阶段从而来适应不同的监测要求。

本发明采用两种或两种以上具有不同性能的碳纤维进行混杂形成碳纤维复合材料，在某些特殊情况下还可能含有其它一些非导电性的高延性纤维，如Aramid或Glass纤维。该复合材料在受力时，即使一种碳纤维出现断裂，其他的两种碳纤维还能继续承受载荷，可被继续拉伸，并且可根据碳纤维的断裂造成混杂碳纤维复合材料的电阻值跳跃，很容易和准确的判断出结构所处的应变状态，这样可以避免只含单种碳纤维的复合材料，由于碳纤维在某一特定的应变幅度下的断裂，而失去传感功能的缺陷，并提高了应用本发明的混杂碳纤维复合材料监测结构应力、应变和损伤时的测量精度和准确性。本发明通过采用两种以上既可做结构材料也可做传感材料的碳纤维之间的混杂，来改善单种碳纤维在作为传感和结构材料方面的诸多缺点，提高碳纤维在低应变范围的电阻变化率从而使之达到可以应用的程度，同时由于不同的碳纤维的断裂应变不同每种碳纤维的断裂可以造成混杂碳纤维的电阻在某些特定的应变幅度下出现突然的增加，这样可以实现对结构的分阶段性健康监测。

附图说明

图1混杂碳纤维复合材料的力学和电阻变化模型；

图2混杂碳纤维筋的结构示意图；

图3混杂碳纤维筋的力学特性和电阻随应变变化关系图；

图4混杂碳纤维片材的结构示意图；

图5混杂碳纤维片材的电阻测量简图；

图6混杂碳纤维片材的载荷-应变和应变-电阻变化率图；

图7混杂碳纤维筋用于实际混凝土结构的示意图；

图8混杂碳纤维筋加固实际结构的力学特性及电阻变化率随载荷变化关系图；

图9对结构的应力·应变状态以及损伤状况的监测的流程图；

图10混杂碳纤维片材应用于实际混凝土结构的示意图；

图11混杂碳纤维片材加固实际结构的力学特性及电阻变化率随应变变化关系图。

具体实施方式

本发明的混杂碳纤维复合材料可以为片材，也可以为筋。下面就混杂碳纤维筋和片材的力学特性和电阻变化特征以及在实际混凝土结构上的应用进行说明。

实施例1、混杂碳纤维筋

混杂碳纤维筋的结构如图2所示，混杂碳纤维束2是由多种不同性能的碳纤维A21(高弹性模量碳纤维)、碳纤维B22(中弹性模量碳纤维)、碳纤维C23(高强度碳纤维)混杂而成的集合体，并将这些碳纤维束用环氧树脂3进行含浸而形成。构成混杂碳纤维束2的碳纤维A21、碳纤维B22、碳纤维C23的强度、模量和延性不相同，可根据具体的使用条件设计适当的配比，当混杂复合材料用作结构材料和传感材料时候混杂材料中的中模量和高强度纤维的比例可以适当的提高，如果主要用做传感材料的时候可以适当提高混杂材料中的高模量和中模量碳纤维的体积含量。在碳纤维的两端设有电极7，作为材料的测量电极，用来测量碳纤维的电阻。

由于这些碳纤维A21、碳纤维B22、碳纤维C23具有良好的导电性和压阻效应。将混杂碳纤维束2配置在特定的结构中用做结构的补强材料，当结构在受力的时候会出现变形，该混杂碳纤维束2也会同样地出现相应变形，则碳纤维A21、碳纤维B22、碳纤维C23会出现一定的拉伸。这些产生了变形的碳纤维与没有产生变形的碳纤维相比在电阻上会出现一定的增加，在碳纤维出现宏观断裂之前这种增加与应变的大小呈正比关系，通过测量混杂碳纤维束2的电阻变化率可以知道所产生的应变大小。因此，混杂碳纤维束2具有监测结构内部的应变·应力状态以及诊断结构损伤状况的传感机能，可以用做结构的传感材料，从而在成本提高不大的情况下充分利用了材料的性能，进而提高了碳纤维增强复合材料的附加价值。为了使该混杂碳纤维束2同时具备判断损伤位置的功能，可以在混杂碳纤维束上每隔一定距离的适当位置设置电极，或者在需要监测的结构的重要部位附近设置电极，这样就可以根据碳纤维断裂时所引起的电阻变化来判断出现断裂的位置和保证对重要部位监测的精度。

图3是其中一种混杂碳纤维筋的电阻变化率(ΔR/R₀)与载荷(load)和应变(strain)之间的关系图。该种混杂碳纤维筋中含有三种碳纤维材料：4.2％(体积)高弹性模量碳纤维A21(弹性模量为640GPa)、12.6％(体积)中弹性模量的碳纤维B22(弹性模量为392GPa)和83.2％(体积)高强度的碳纤维C23(强度为3400MPa)，在室温下用环氧树脂进行含浸，然后在空气中硬化养护而成。如图所示，在碳纤维发生断裂之前，电阻随应变呈正比例增加，不过增加的速率非常小。在高弹性模量碳纤维A21出现断裂时，电阻会出现一个突然的阶跃(增加)，此后，电阻随应变的变化率会显著增加；到中弹性模量的碳纤维B22出现断裂后，电阻同样会出现一个阶跃。因而，该发明的混杂碳纤维复合材料在电阻变化上的一个显著特征是电阻随应变的变化呈阶跃形式发展，从而为实际结构进行阶段性诊断提供了可能。

实施例2、片状混杂碳纤维复合材料

片状的混杂碳纤维复合材料的结构如图4所示，混杂碳纤维片材5可以由混杂碳纤维束2用环氧树脂3含浸、硬化而形成，也可以由3种碳纤维片材(高强度碳纤维、中弹性模量和高弹性模量碳纤维片材)通过积层法用环氧树脂含浸、混杂和硬化而成。混杂碳纤维片材5也具有监测结构的应变和损伤状态的功能，比如，可以把片状的混杂碳纤维材料5用树脂沿受力方向粘贴到结构的下部作为传感材料和补强材料来使用。

图5为片状混杂碳纤维复合材料的电阻测量简图，在由高强度、高弹性模量和中弹性模量的碳纤维所组成的试件T(片状混杂碳纤维材料)的两端加拉力P，通过混杂碳纤维试复合材料试件两端的电极7向试件T通一定的电流，测定在拉力P作用下试件T所产生的应变和构成试件T的碳纤维A21、碳纤维B22、碳纤维C23的电阻变化率(ΔR/R₀)，并找出他们之间的关系。该试件T中含有三种碳纤维材料：17％(体积)高弹性模量碳纤维A21(弹性模量为640GPa)、17％(体积)中弹性模量的碳纤维B22(弹性模量为392GPa)和66％(体积)高强度的碳纤维C23(强度为3400MPa)，在室温下用环氧树脂进行含浸，然后在空气中硬化养护4天而成。为了便于加载拉力P和避免在受力的过程中损伤混杂碳纤维复合材料，在试件的上下两面都设置了玻璃纤维增强塑料片9。

图6为试件T的载荷-应变图和应变-电阻变化率图。如该图所示，试件T在第一阶段(区1)a-b之间随着载荷的增加应变不断线性增加直到高弹性模量碳纤维A21逐渐出现断裂，当其完全断裂后，如b-c段所示的那样电阻会出现急剧的增加，高弹性模量纤维A21所承担的载荷将转移到其他两种纤维上；随着载荷的不断增加，将进入第二阶段(区2)c-d之间，应变随着载荷增加的同时，中弹性模量碳纤维B22如同高弹性模量碳纤维A21那样也出现逐渐的断裂和破坏，当其完全断裂时，将如d-e段所示的那样，电阻也会出现急剧的增加；在第三阶段(区3)e-f之间应变随着载荷的增加快速增加的同时，高强度碳纤维C23将逐渐出现破坏以致完全的断裂。因此，高弹性模量碳纤维A21的应变随着载荷的增加而增加，到一定程度发生断裂，由于其他的碳纤维B22(中弹性模量)、碳纤维C23(高强度碳纤维)的存在，试件还可以继续承受拉力，而且该高弹性模量碳纤维A21的断裂造成混杂碳纤维复合材料的电阻在数值上出现一个突然跳跃，这样可以根据该断裂纤维的断裂应变很容易和准确的判断出结构所处的应变状态。

实施例3、混杂碳纤维筋在加固和监测混凝土结构的应变状态方面的应用

图7是将混杂碳纤维筋应用到混凝土结构上的示意图，在混凝土梁10内没有补强用的钢筋，两根混杂碳纤维筋11如图7所示分布于混凝土梁内。混杂碳纤维筋11既可以作为补强材料增强结构的刚度和承载能力，也可以用做传感材料对结构10的应变及损伤状况进行监测。通过测量11的电阻变化率可以判断结构10内部的应力状态和损伤状况。混杂碳纤维筋11含有四种纤维，其中三种为碳纤维(高弹性模量碳纤维A21(弹性模量为640GPa)、中弹性模量的碳纤维B22(弹性模量为392GPa)和高强度的碳纤维C23(强度为3400MPa)，和一种非导电的有机纤维(Aramid纤维，其拉伸强度为2000MPa，弹性模量为103GPa)。三种碳纤维在11中的体积含量均为4.5％，主要用做传感材料；Aramid纤维的体积含量为86.5％，主要用做结构材料。

图8显示了混杂碳纤维筋11所增强的结构10的载荷-应变关系以及载荷-电阻变化率关系曲线。从该图可以发现，应变随载荷的变化和电阻变化率随载荷的变化有比较好的对应关系，因而通过测量11的电阻率变化可以知道结构10所处的应变状态。此外，某种碳纤维的断裂还会造成电阻变化率的突然增加或电阻的跳跃，从而可以实现对结构的分阶段监测。

结构的应变状态以及损伤状况的监测流程具体如图9所示，包括对混杂碳纤维筋11的电阻连续测量，判断碳纤维是否出现断裂，以及输出结果等几个步骤。如图9所示，首先连续的对11中的碳纤维A21、碳纤维B22、碳纤维C23的电阻进行测量；将根据所测量的电阻值来判断碳纤维A21是否发生了断裂，当判断出碳纤维A21发生了断裂，则表明结构10由安全状态转到了需要注意和监测的状态，如混凝土开始出现裂缝或钢筋即将出现屈服等，并输出判断结果。

然后，还可以对碳纤维B22、碳纤维C23的电阻继续测量，从所测量到的电阻值来判断碳纤维B22是否发生了断裂，如果判断出碳纤维B22出现了断裂，则表明结构10已经从需要监测的阶段转到了危险阶段，如钢筋已经出现了屈服或部分钢筋出现了断裂等，并输出判断结果。此后，继续对11的电阻进行监测，从测量的值来判断C23是否出现了断裂，如果判断C23出现了断裂，则表明结构已经进入了最终破坏，必须采取必要的措施来防止结构的破坏带来不必要的损失。

这样通过测量11的电阻变化就可以很容易把握结构10的内部应变状态及损伤状况。出现断裂的碳纤维A21、B22以及碳纤维C23还可以记忆纤维断裂时的应变，所以通过电阻的测量也可以推断结构10所承受过的最大应变·应力值。

实施例4、混杂碳纤维片材在加固和监测混凝土结构应变和损伤状态方面的应用

图10是将片状混杂碳纤维片材13应用于实际混凝土结构12的示意图，将片状混杂碳纤维复合材料13用环氧树脂粘贴在结构12的底部。混杂碳纤维片材13含有33.3％(体积)的高弹性模量碳纤维A(弹性模量为540GPa)和66.7％(体积)的高强度碳纤维C(强度为3400MPa)，在室温下用环氧树脂进行含浸，然后在空气中硬化养护而成。

混杂碳纤维片材13加固结构12的电阻变化率随平均应变变化关系如图11所示。在2300με以前，电阻随应变呈线性变化，但电阻变化率不明显。在大约2300με处，由于高弹性模量碳纤维A的断裂造成11的电阻出现一个突然增加，此处的电阻突然增加预示钢筋开始出现屈服。在平均应变为6100με处，由于高强度碳纤维C23的部分断裂造成电阻出现第二次突然增加，预示着结构12内部的增强钢筋已经屈服并开始出现部分断裂。可以采用上述的方法以及如图9所示的流程对结构12进行具体的健康监测(损伤及劣化诊断)。

Claims

1、一种混杂碳纤维复合材料，包括弹性模量为500-650GPa的碳纤维A，弹性模量为360-450GPa的碳纤维B，和拉伸强度为3200-5000MPa的碳纤维C。

2、根据权利要求1所述的混杂碳纤维复合材料，其特征在于：所述碳纤维A的体积百分含量为10-30％，所述碳纤维B的体积百分含量为15-40％，所述碳纤维C的体积百分含量为30-70％。

3、根据权利要求1或2所述的混杂碳纤维复合材料，其特征在于：所述碳纤维A，所述碳纤维B和所述碳纤维C是包裹在环氧树脂中的。

4、一种制备权利要求3所述混杂碳纤维复合材料的方法，是将体积百分含量为10-30％的弹性模量为500-650GPa的碳纤维A，体积百分含量为15-40％的弹性模量为360-450GPa的碳纤维B以及体积百分含量为30-70％的拉伸强度为3200-5000MPa的碳纤维C经环氧树脂含浸、硬化而成的。

5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述含浸的温度为室温；含浸后在室温下养护4-5天，或在40-45℃下养护2-3天。

6、一种监测结构的应力、应变和损伤的装置，它包括包裹在环氧树脂中的由弹性模量为500-650GPa的碳纤维A，弹性模量为360-450GPa的碳纤维B，和拉伸强度为3200-5000MPa的碳纤维C组成的混杂碳纤维复合材料，以及设置在混杂碳纤维复合材料的两端和/或中部的电极。

7、根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述碳纤维A的体积百分含量为10-30％，所述碳纤维B的体积百分含量为15-40％，所述碳纤维C的体积百分含量为30-70％。

8、权利要求1-3任一所述的混杂碳纤维复合材料在监测结构的应力、应变和损伤中的应用。