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。
参考文献：
References：
[1] PENG Q，LI Y，HE X，et al.Interfacial Enhancement of Carbon Fiber Composites by Poly （Amido Amine） Functionalization[J].Composites Science and Technology，2013，74：3742.
[2]ARAI M，MATSUSHITA K，HIROTA S.Criterion for Inter Laminar Strength of CFRP Laminates Toughened with Carbon Nano Fiber Interlayer[J].Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2011，42（7）：703711.
[3]刘荣桂，李成绩，龚向华，等.碳纤维斜拉索的动力参数特性分析[J].哈尔滨工业大学学报，2008，40（8）：12841288.
LIU Ronggui，LI Chengji，GONG Xianghua，et al.Analysis of Dynamic Properties for CFRP Stayed Cables[J].Journal of Harbin Institute of Technology，2008，40（8）：12841288.
[4]KWON D J，WANG Z J，CHOI J Y，et al.Interfacial Evaluation of Carbon Fiber/Epoxy Composites Using Electrical Resistance Measurements at Room and a Cryogenic Temperature[J].Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2015，72：160166.
[5]刘荣桂，郭 青，陈 蓓，等.几何非线性效应下的CFRP索斜拉桥动力特性[J].长安大学学报：自然科学版，2014，34（2）：5964.
LIU Ronggui，GUO Qing，CHEN Bei，et al.CFRP Cablestayed Bridges Dynamic Properties with Geometric Nonlinear Effect Considered[J].Journal of Changan University：Natural Science Edition，2014，34（2）：5964.
[6]AWAL A，CESCUTTI G，GHOSH S B，et al.Interfacial Studies of Natural Fibre/Polypropylene Composites Using Single Fibre Fragmentation Test （SFFT）[J].Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2011，42（1）：5056.
[7]FRISCH M.Conceptual Problems in Classical Electrodynamics：No More Toils and Trouble？[J].Studies in History and Philosophy of Modern Physics，2013，44（4）：527531.
[8]GRADOCAFFARO M A，GRADOCAFFARO M.Analytical Determination of the Fermi Velocity in Multiwalled Carbon Nanotubes[J].Physics Letters A，2008，372（45）：67706772. [9]LIU L，MA P C，XU M，et al.Strainsensitive Raman Spectroscopy and Electrical Resistance of Carbon Nanotubecoated Glass Fibre Sensors[J].Composites Science and Technology，2012，72（13）：15481555.
[10]BAKIS C E，NANNI A，TEROSKY J A，et al.Selfmonitoring，Pseudoductile，Hybrid FRP Reinforcement Rods for Concrete Applications[J].Composites Science and Technology，2001，61（6）：815823.
[11]VAVOULIOTIS A，PAIPETIS A，KOSTOPOULOS V.On the Fatigue Life Prediction of CFRP Laminates Using the Electrical Resistance Change Method[J].Composites Science and Technology，2011，71（5）：630642.
[12]WANG S K， KOWALIK D P， CHUNG D D L.Selfsensing Attained in Carbon Fiber Polymermatrix Structural Composites by Using the Interlaminar Interface as a Sensor[J].Smart Materials and Structures，2004，13（3）：570592.
[13]YANG C Q， WU Z S.Selfstructural Health Monitoring Function of RC Structures with HCFRP Sensors[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2006，17（10）：895906.
[14]欧进萍，王 勃，张新越，等.混凝土结构用 CFRP 筋的感知性能试验研究[J].复合材料学报，2004，20（6）：4751.
OU Jinping，WANG Bo，ZHANG Xinyue，et al.Experimental Study on Selfsensing Properties of CFRP Bars for Concrete Structures[J].Acta Materiae Compositae Sinica，2004，20（6）：4751.
[15]王 勃，欧进萍，张新越，等.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（2）：220224.
WANG Bo，OU Jinping，ZHANG Xinyue，et al.Experimental Research on Sensing Properties of CFRP Bar and Concrete Beams Reinforced with CFRP Beas[J].Journal of Harbin Institute of Technology，2007，39（2）：220224.
[16]乐正想，梅启林，黄志雄.纳米碳纤维复合材料的电阻应变传感性能研究[J].功能材料，2007，38（增）：576577.
YUE Zhengxiang，MEI Qilin，HUANG Zhixiong.Study on Carbon Nanofibers Composite Materials Resistancestrain Sensor Property[J].Journal of Functional Materials，2007，38（S）：576577.
[17]季小勇.纳米炭黑环氧树脂基复合材料应变和裂缝感知特性研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.
JI Xiaoyong.Epoxy Matrix Composites Filled with Nanocarbon Black and Their Strain and Crack Monitoring[D].Harbin：Harbin Institute of Technology，2009.