一種混雜碳纖維複合材料及其製備方法與應用的製作方法

2023-06-21 02:23:46 1

專利名稱：一種混雜碳纖維複合材料及其製備方法與應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種混雜碳纖維複合材料及其製備方法與應用，特別是涉及一種混雜碳纖維複合材料及以其為主要構件製作的監測結構的應變和損傷狀況的裝置，以及該複合材料在監測結構的應力、應變和損傷上的應用。
背景技術：
碳纖維具有很高的比強度和比剛度等優越的力學性能，其強度大約為鐵的10倍，而密度只有鋼的1/4～1/5，而且具有很好的耐久性和優良的耐腐蝕性，因此作為補強或結構材料在很多領域得到廣泛的應用。通常在作為補強材料使用的時候，碳纖維用樹脂進行含浸(即用環氧樹脂將碳纖維進行浸潤後硬化)，製成片狀、棒狀或格柵等形狀。碳纖維還具有良好的導電性和壓阻效應，即在碳纖維出現斷裂之前電阻隨著應變呈線性增長，根據這些性質，不僅可以判斷加載過程中某點的應力/應變大小，而且也可以根據殘留電阻來判斷結構之前所承受過的最大應力或應變，這種性質可以應用到實際的工程中來監測結構的應變狀態或損傷狀況，以便提高結構的安全性和耐久性。
以前也有關於利用上述碳纖維性質的研究，如專利文獻(日本專利第3201837號公報)將導電性的纖維束和非導電性的玻璃纖維束進行混合，製成含有導電性纖維的複合材料，並提出了可以監測該含有導電纖維的複合材料和粘貼該含有導電纖維的複合材料的結構的應力狀態的方法以及裝置。
對於只含有一種導電相(如碳纖維)的纖維增強複合材料，在導電纖維出現斷裂的之前，電阻的變化率很小，通常小於2％，監測精度有待於提高而且也不能進行分階段性監測；而且，材料往往容易出現脆性斷裂，即在突然斷裂前材料處於線彈性階段，在某一應變幅度下材料突然斷裂；同時，由於碳纖維的斷裂，在整個材料的電阻變化率變化不大的情況下失去了傳感功能。

發明內容
本發明的目的是提供一種混雜碳纖維複合材料及其製備方法。
本發明所提供的混雜碳纖維複合材料，包括彈性模量為500-650GPa的碳纖維A，彈性模量為360-450GPa的碳纖維B，和拉伸強度為3200-4000MPa的碳纖維C。
其中，在混雜碳纖維複合材料中碳纖維A所佔的體積百分含量為10-30％，碳纖維B所佔的體積百分含量為15-40％，碳纖維C的體積百分含量為30-70％；這些碳纖維混雜後用環氧樹脂進行含浸(即用環氧樹脂對這些纖維進行浸潤後硬化)。
製備這種混雜碳纖維複合材料的方法，是將體積百分含量為10-30％的彈性模量為500-650GPa的碳纖維A，體積百分含量為15-40％的彈性模量為360-450GPa的碳纖維B以及體積百分含量為30-70％的拉伸強度為3200-5000MPa的碳纖維C經環氧樹脂含浸、混雜和硬化而成。
其中，所述含浸一般在室溫下進行，含浸後可在室溫下養護4-5天，或者在40-45℃下養護2-3天，養護溫度通常不超過50℃。
本發明的另一個目的是提供本發明的混雜碳纖維複合材料的應用。
由於所用的碳纖維具有很高的比強度和比剛度等力學性能，以及良好的導電性和壓阻效應等傳感性能，將本發明的混雜碳纖維複合材料用在具體的結構上，既可以起到補強材料的作用，又可以同時起到傳感材料的作用，來監測結構內部的應力·應變狀態和損傷狀況。
以本發明混雜碳纖維複合材料為基礎，可以製作成一種監測結構的應力、應變和損傷的裝置，它包括經環氧樹脂含浸的彈性模量為500-650GPa的碳纖維A，彈性模量為360-450GPa的碳纖維B，和拉伸強度為3200-5000MPa的碳纖維C組成的混雜碳纖維複合材料，以及設置在混雜碳纖維複合材料的兩端和/或中部的電極。
在本發明中，碳纖維A可稱為高彈性模量碳纖維(如日本碳纖維材料C8，其彈性模量為640GPa，或C7其彈性模量為540GPa)，碳纖維B可稱為中彈性模量碳纖維(如日本生產的碳纖維C5，其彈性模量為390GPa)，碳纖維C可稱為高強度碳纖維(如日本生產的拉伸強度為3,400MPa的高強度碳纖維C1)，從材料的力學性能出發，中彈性模量和高彈性模量的碳纖維主要是用來增加材料的剛度以滿足有些場合對複合材料剛度的要求，高強度碳纖維主要用來提高材料的承載能力，對於材料既做結構材料又做傳感材料的情況下，通常高強度碳纖維的比例要適當增大些，以提高碳纖維複合材料的力學性能和承載能力。從碳纖維複合材料的傳感性能出發，高模量碳纖維主要是提高在小應變範圍的電阻變化率並可以大大縮小電阻變化率變化不明顯的應變範圍，即擴大了可以測量的應變範圍，中彈性模量的碳纖維主要用來增大小應變範圍內的電阻變化率的同時增大了測量的階段數，當中彈性模量和高彈性模量的碳纖維斷裂後高強度碳纖維可以繼續保持測量迴路處於導通狀態，因而高強度碳纖維可以擴大最大應變的測量範圍。本發明混雜碳纖維複合材料的力學和電阻變化模型如圖1所示，這些碳纖維的共同作用改善了混雜碳纖維複合材料作為結構材料的力學性能，同時也造成了電阻變化率隨著應變的增加成階梯狀增長，可以實現對結構的分階段監測。每種碳纖維的性能應該儘量均勻，以便儘量降低斷裂應變的分散性，根據具體使用的不同，可以適當改變三種碳纖維的用量比例，來調整測量階段從而來適應不同的監測要求。
本發明採用兩種或兩種以上具有不同性能的碳纖維進行混雜形成碳纖維複合材料，在某些特殊情況下還可能含有其它一些非導電性的高延性纖維，如Aramid或Glass纖維。該複合材料在受力時，即使一種碳纖維出現斷裂，其他的兩種碳纖維還能繼續承受載荷，可被繼續拉伸，並且可根據碳纖維的斷裂造成混雜碳纖維複合材料的電阻值跳躍，很容易和準確的判斷出結構所處的應變狀態，這樣可以避免只含單種碳纖維的複合材料，由於碳纖維在某一特定的應變幅度下的斷裂，而失去傳感功能的缺陷，並提高了應用本發明的混雜碳纖維複合材料監測結構應力、應變和損傷時的測量精度和準確性。本發明通過採用兩種以上既可做結構材料也可做傳感材料的碳纖維之間的混雜，來改善單種碳纖維在作為傳感和結構材料方面的諸多缺點，提高碳纖維在低應變範圍的電阻變化率從而使之達到可以應用的程度，同時由於不同的碳纖維的斷裂應變不同每種碳纖維的斷裂可以造成混雜碳纖維的電阻在某些特定的應變幅度下出現突然的增加，這樣可以實現對結構的分階段性健康監測。


圖1混雜碳纖維複合材料的力學和電阻變化模型；圖2混雜碳纖維筋的結構示意圖；圖3混雜碳纖維筋的力學特性和電阻隨應變變化關係圖；圖4混雜碳纖維片材的結構示意圖；圖5混雜碳纖維片材的電阻測量簡圖；圖6混雜碳纖維片材的載荷-應變和應變-電阻變化率圖；圖7混雜碳纖維筋用於實際混凝土結構的示意圖；圖8混雜碳纖維筋加固實際結構的力學特性及電阻變化率隨載荷變化關係圖；圖9對結構的應力·應變狀態以及損傷狀況的監測的流程圖；圖10混雜碳纖維片材應用於實際混凝土結構的示意圖；圖11混雜碳纖維片材加固實際結構的力學特性及電阻變化率隨應變變化關係圖。
具體實施例方式
本發明的混雜碳纖維複合材料可以為片材，也可以為筋。下面就混雜碳纖維筋和片材的力學特性和電阻變化特徵以及在實際混凝土結構上的應用進行說明。
實施例1、混雜碳纖維筋混雜碳纖維筋的結構如圖2所示，混雜碳纖維束2是由多種不同性能的碳纖維A21(高彈性模量碳纖維)、碳纖維B22(中彈性模量碳纖維)、碳纖維C23(高強度碳纖維)混雜而成的集合體，並將這些碳纖維束用環氧樹脂3進行含浸而形成。構成混雜碳纖維束2的碳纖維A21、碳纖維B22、碳纖維C23的強度、模量和延性不相同，可根據具體的使用條件設計適當的配比，當混雜複合材料用作結構材料和傳感材料時候混雜材料中的中模量和高強度纖維的比例可以適當的提高，如果主要用做傳感材料的時候可以適當提高混雜材料中的高模量和中模量碳纖維的體積含量。在碳纖維的兩端設有電極7，作為材料的測量電極，用來測量碳纖維的電阻。
由於這些碳纖維A21、碳纖維B22、碳纖維C23具有良好的導電性和壓阻效應。將混雜碳纖維束2配置在特定的結構中用做結構的補強材料，當結構在受力的時候會出現變形，該混雜碳纖維束2也會同樣地出現相應變形，則碳纖維A21、碳纖維B22、碳纖維C23會出現一定的拉伸。這些產生了變形的碳纖維與沒有產生變形的碳纖維相比在電阻上會出現一定的增加，在碳纖維出現宏觀斷裂之前這種增加與應變的大小呈正比關係，通過測量混雜碳纖維束2的電阻變化率可以知道所產生的應變大小。因此，混雜碳纖維束2具有監測結構內部的應變·應力狀態以及診斷結構損傷狀況的傳感機能，可以用做結構的傳感材料，從而在成本提高不大的情況下充分利用了材料的性能，進而提高了碳纖維增強複合材料的附加價值。為了使該混雜碳纖維束2同時具備判斷損傷位置的功能，可以在混雜碳纖維束上每隔一定距離的適當位置設置電極，或者在需要監測的結構的重要部位附近設置電極，這樣就可以根據碳纖維斷裂時所引起的電阻變化來判斷出現斷裂的位置和保證對重要部位監測的精度。
圖3是其中一種混雜碳纖維筋的電阻變化率(ΔR/R0)與載荷(load)和應變(strain)之間的關係圖。該種混雜碳纖維筋中含有三種碳纖維材料4.2％(體積)高彈性模量碳纖維A21(彈性模量為640GPa)、12.6％(體積)中彈性模量的碳纖維B22(彈性模量為392GPa)和83.2％(體積)高強度的碳纖維C23(強度為3400MPa)，在室溫下用環氧樹脂進行含浸，然後在空氣中硬化養護而成。如圖所示，在碳纖維發生斷裂之前，電阻隨應變呈正比例增加，不過增加的速率非常小。在高彈性模量碳纖維A21出現斷裂時，電阻會出現一個突然的階躍(增加)，此後，電阻隨應變的變化率會顯著增加；到中彈性模量的碳纖維B22出現斷裂後，電阻同樣會出現一個階躍。因而，該發明的混雜碳纖維複合材料在電阻變化上的一個顯著特徵是電阻隨應變的變化呈階躍形式發展，從而為實際結構進行階段性診斷提供了可能。
實施例2、片狀混雜碳纖維複合材料片狀的混雜碳纖維複合材料的結構如圖4所示，混雜碳纖維片材5可以由混雜碳纖維束2用環氧樹脂3含浸、硬化而形成，也可以由3種碳纖維片材(高強度碳纖維、中彈性模量和高彈性模量碳纖維片材)通過積層法用環氧樹脂含浸、混雜和硬化而成。混雜碳纖維片材5也具有監測結構的應變和損傷狀態的功能，比如，可以把片狀的混雜碳纖維材料5用樹脂沿受力方向粘貼到結構的下部作為傳感材料和補強材料來使用。
圖5為片狀混雜碳纖維複合材料的電阻測量簡圖，在由高強度、高彈性模量和中彈性模量的碳纖維所組成的試件T(片狀混雜碳纖維材料)的兩端加拉力P，通過混雜碳纖維試複合材料試件兩端的電極7向試件T通一定的電流，測定在拉力P作用下試件T所產生的應變和構成試件T的碳纖維A21、碳纖維B22、碳纖維C23的電阻變化率(ΔR/R0)，並找出他們之間的關係。該試件T中含有三種碳纖維材料17％(體積)高彈性模量碳纖維A21(彈性模量為640GPa)、17％(體積)中彈性模量的碳纖維B22(彈性模量為392GPa)和66％(體積)高強度的碳纖維C23(強度為3400MPa)，在室溫下用環氧樹脂進行含浸，然後在空氣中硬化養護4天而成。為了便於加載拉力P和避免在受力的過程中損傷混雜碳纖維複合材料，在試件的上下兩面都設置了玻璃纖維增強塑料片9。
圖6為試件T的載荷-應變圖和應變-電阻變化率圖。如該圖所示，試件T在第一階段(區1)a-b之間隨著載荷的增加應變不斷線性增加直到高彈性模量碳纖維A21逐漸出現斷裂，當其完全斷裂後，如b-c段所示的那樣電阻會出現急劇的增加，高彈性模量纖維A21所承擔的載荷將轉移到其他兩種纖維上；隨著載荷的不斷增加，將進入第二階段(區2)c-d之間，應變隨著載荷增加的同時，中彈性模量碳纖維B22如同高彈性模量碳纖維A21那樣也出現逐漸的斷裂和破壞，當其完全斷裂時，將如d-e段所示的那樣，電阻也會出現急劇的增加；在第三階段(區3)e-f之間應變隨著載荷的增加快速增加的同時，高強度碳纖維C23將逐漸出現破壞以致完全的斷裂。因此，高彈性模量碳纖維A21的應變隨著載荷的增加而增加，到一定程度發生斷裂，由於其他的碳纖維B22(中彈性模量)、碳纖維C23(高強度碳纖維)的存在，試件還可以繼續承受拉力，而且該高彈性模量碳纖維A21的斷裂造成混雜碳纖維複合材料的電阻在數值上出現一個突然跳躍，這樣可以根據該斷裂纖維的斷裂應變很容易和準確的判斷出結構所處的應變狀態。
實施例3、混雜碳纖維筋在加固和監測混凝土結構的應變狀態方面的應用圖7是將混雜碳纖維筋應用到混凝土結構上的示意圖，在混凝土梁10內沒有補強用的鋼筋，兩根混雜碳纖維筋11如圖7所示分布於混凝土梁內。混雜碳纖維筋11既可以作為補強材料增強結構的剛度和承載能力，也可以用做傳感材料對結構10的應變及損傷狀況進行監測。通過測量11的電阻變化率可以判斷結構10內部的應力狀態和損傷狀況。混雜碳纖維筋11含有四種纖維，其中三種為碳纖維(高彈性模量碳纖維A21(彈性模量為640GPa)、中彈性模量的碳纖維B22(彈性模量為392GPa)和高強度的碳纖維C23(強度為3400MPa)，和一種非導電的有機纖維(Aramid纖維，其拉伸強度為2000MPa，彈性模量為103GPa)。三種碳纖維在11中的體積含量均為4.5％，主要用做傳感材料；Aramid纖維的體積含量為86.5％，主要用做結構材料。
圖8顯示了混雜碳纖維筋11所增強的結構10的載荷-應變關係以及載荷-電阻變化率關係曲線。從該圖可以發現，應變隨載荷的變化和電阻變化率隨載荷的變化有比較好的對應關係，因而通過測量11的電阻率變化可以知道結構10所處的應變狀態。此外，某種碳纖維的斷裂還會造成電阻變化率的突然增加或電阻的跳躍，從而可以實現對結構的分階段監測。
結構的應變狀態以及損傷狀況的監測流程具體如圖9所示，包括對混雜碳纖維筋11的電阻連續測量，判斷碳纖維是否出現斷裂，以及輸出結果等幾個步驟。如圖9所示，首先連續的對11中的碳纖維A21、碳纖維B22、碳纖維C23的電阻進行測量；將根據所測量的電阻值來判斷碳纖維A21是否發生了斷裂，當判斷出碳纖維A21發生了斷裂，則表明結構10由安全狀態轉到了需要注意和監測的狀態，如混凝土開始出現裂縫或鋼筋即將出現屈服等，並輸出判斷結果。
然後，還可以對碳纖維B22、碳纖維C23的電阻繼續測量，從所測量到的電阻值來判斷碳纖維B22是否發生了斷裂，如果判斷出碳纖維B22出現了斷裂，則表明結構10已經從需要監測的階段轉到了危險階段，如鋼筋已經出現了屈服或部分鋼筋出現了斷裂等，並輸出判斷結果。此後，繼續對11的電阻進行監測，從測量的值來判斷C23是否出現了斷裂，如果判斷C23出現了斷裂，則表明結構已經進入了最終破壞，必須採取必要的措施來防止結構的破壞帶來不必要的損失。
這樣通過測量11的電阻變化就可以很容易把握結構10的內部應變狀態及損傷狀況。出現斷裂的碳纖維A21、B22以及碳纖維C23還可以記憶纖維斷裂時的應變，所以通過電阻的測量也可以推斷結構10所承受過的最大應變·應力值。
實施例4、混雜碳纖維片材在加固和監測混凝土結構應變和損傷狀態方面的應用圖10是將片狀混雜碳纖維片材13應用於實際混凝土結構12的示意圖，將片狀混雜碳纖維複合材料13用環氧樹脂粘貼在結構12的底部。混雜碳纖維片材13含有33.3％(體積)的高彈性模量碳纖維A(彈性模量為540GPa)和66.7％(體積)的高強度碳纖維C(強度為3400MPa)，在室溫下用環氧樹脂進行含浸，然後在空氣中硬化養護而成。
混雜碳纖維片材13加固結構12的電阻變化率隨平均應變變化關係如圖11所示。在2300με以前，電阻隨應變呈線性變化，但電阻變化率不明顯。在大約2300με處，由於高彈性模量碳纖維A的斷裂造成11的電阻出現一個突然增加，此處的電阻突然增加預示鋼筋開始出現屈服。在平均應變為6100με處，由於高強度碳纖維C23的部分斷裂造成電阻出現第二次突然增加，預示著結構12內部的增強鋼筋已經屈服並開始出現部分斷裂。可以採用上述的方法以及如圖9所示的流程對結構12進行具體的健康監測(損傷及劣化診斷)。
權利要求
1.一種混雜碳纖維複合材料，包括彈性模量為500-650GPa的碳纖維A，彈性模量為360-450GPa的碳纖維B，和拉伸強度為3200-5000MPa的碳纖維C。
2.根據權利要求1所述的混雜碳纖維複合材料，其特徵在於所述碳纖維A的體積百分含量為10-30％，所述碳纖維B的體積百分含量為15-40％，所述碳纖維C的體積百分含量為30-70％。
3.根據權利要求1或2所述的混雜碳纖維複合材料，其特徵在於所述碳纖維A，所述碳纖維B和所述碳纖維C是包裹在環氧樹脂中的。
4.一種製備權利要求3所述混雜碳纖維複合材料的方法，是將體積百分含量為10-30％的彈性模量為500-650GPa的碳纖維A，體積百分含量為15-40％的彈性模量為360-450GPa的碳纖維B以及體積百分含量為30-70％的拉伸強度為3200-5000MPa的碳纖維C經環氧樹脂含浸、硬化而成的。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於所述含浸的溫度為室溫；含浸後在室溫下養護4-5天，或在40-45℃下養護2-3天。
6.一種監測結構的應力、應變和損傷的裝置，它包括包裹在環氧樹脂中的由彈性模量為500-650GPa的碳纖維A，彈性模量為360-450GPa的碳纖維B，和拉伸強度為3200-5000MPa的碳纖維C組成的混雜碳纖維複合材料，以及設置在混雜碳纖維複合材料的兩端和/或中部的電極。
7.根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於所述碳纖維A的體積百分含量為10-30％，所述碳纖維B的體積百分含量為15-40％，所述碳纖維C的體積百分含量為30-70％。
8.權利要求1-3任一所述的混雜碳纖維複合材料在監測結構的應力、應變和損傷中的應用。
全文摘要
本發明公開了一種混雜碳纖維複合材料及其製備方法與應用。本發明所提供的混雜碳纖維複合材料，包括彈性模量為500－650GPa的碳纖維A，彈性模量為360－450GPa的碳纖維B，和拉伸強度為3200－5000MPa的碳纖維C。由於所用的碳纖維具有很高的比強度和比剛度等力學性能，以及良好的導電性和壓阻效應等傳感性能，將本發明的混雜碳纖維複合材料用在具體的結構上，既可以起到補強材料的作用，又可以同時起到傳感材料的作用，來監測結構內部的應力·應變狀態和損傷狀況。
文檔編號D02G3/02GK1924124SQ20051009367
公開日2007年3月7日 申請日期2005年9月1日 優先權日2005年9月1日
發明者吳智深, 楊千才, 葉列平 申請人:吳智深, 清華大學