摘要：碳纖維水泥基材料具有高強度、高彈模的特點, 碳纖維的加入在提升水泥基材料強度、韌性的同時使其兼具壓敏特性, 而以碳纖維水泥基材料製備的嵌入式傳感器也會改善傳統材料的耐久性及穩定性。研究了碳纖維水泥基複合材料在持續加載與循環加載過程中的壓敏性, 探討了材料含水率及碳纖維處理方式對壓敏性的影響, 分析了材料壓敏性變化的機理, 爲材料在實時動態監測中的應用提供了理論依據。
關鍵詞：碳基材料; 水泥材料; 壓敏性; 變化機理;
引言
碳纖維水泥基材料是在水泥基材料中加入導電性能良好的短切碳纖維, 並利用其高強度、高彈模的特點, 促使水泥基材料在強度、韌性提升的同時, 更兼具壓敏特性。由於碳纖維對水的溼潤性要求較高, 且在水泥漿中的穩定性良好, 可使其與水泥基中的材料保持較好的貼合度, 水泥的水化產物可完成對碳纖維的包裹, 有效地增強了水泥材料的力學性能。碳纖維的加入可以有效提升材料的劈裂抗拉強度、抗疲勞性能以及變形性能, 而材料特有的壓敏性可製作成嵌入式傳感器, 相容性較好的特點及較低的製造成本都可促使其實現廣泛應用, 並可以克服傳統材料耐久性、穩定性較差的缺點[1]。碳纖維水泥基複合材料可製備成用於應力、應變及損傷監測的傳感器, 但混合材料的特殊性及養護過程中的隨機性都容易造成材料的壓敏特性呈現出非線性狀態, 這些都會制約材料在工程中的應用。
本文分析了目前國內外學者關於碳纖維水泥基材料壓敏性的研究成果[2], 並在此基礎上研究了碳纖維水泥基複合材料在持續加載與循環加載過程中的壓敏性, 探討了材料含水率、碳纖維處理方式對壓敏性的影響, 並分析了材料壓敏性的變化機理, 爲材料應用於實時動態監測領域提供了理論依據。
1 持續加載與循環加載對複合材料壓敏性的影響
1.1 複合材料持續加載破壞的壓敏性
對於碳纖維水泥基材料壓敏性測試, 加載過程存在兩種方式, 一種是一次性加載直至破壞, 另一種是在材料彈性範圍內進行循環加載, 兩種加載方式對壓敏性有很大的影響。韓寶國等[3]研究了短切碳纖維長度對材料導電性的影響, 表明碳纖維的長度越長、摻量越大、分散性越好, 則材料的導電性能越好;在一次性加載試驗中, 碳纖維摻量爲0.18%~0.5%的水泥基材料電阻率變化趨於線性降低, 且變化範圍在17%~35%區間;隨纖維摻量的減少, 電阻率變化率逐漸增大, 且處於滲流區的變化較大。
1.2 複合材料循環加載的壓敏性
對於循環加載過程, 電阻率變化與循環加載之間存在明顯的對應關係。加載時電阻率持續減小, 加載達到峯值時, 電阻率降到最低;而卸載時情況則恰好相反, 隨着卸載的進行, 電阻率持續回升至初始值。從單向受壓和三向受壓兩種模式進行討論, 可以發現在三向受壓狀態下, 電阻率變化率的變化規律更爲穩定;當加載幅度相同時, 三向受壓作用下, 材料的電阻率變化幅度比單向受壓時更大, 表現出的變化也更加明顯[4]。
2 材料性能對壓敏性的影響
2.1 複合材料含水率對壓敏性的影響
碳纖維水泥基材料在加載過程中的變化與加載方式有直接的關係, 而材料性質對試樣的力學性能和電學性能也有很大的影響, 其中含水率對試樣導電性影響尤爲嚴重。王玉林等[5]研究了材料多次烘乾後的壓敏性, 當材料中的水分逐漸減少時, 壓敏性變化明顯, 且存在“正壓敏性”和“負壓敏性”相互轉化的現象。當試樣含水率較高時, 表現爲“正壓敏性”;少量失水時, 呈現出“負壓敏性”;持續失水導致試樣含水率很低達到烘乾狀態時, 轉而表現爲“正壓敏性”;在一定含水率時, 試樣可能會呈現出“正壓敏性”與“負壓敏性”共存的狀態。
2.2 碳纖維表面處理對壓敏性的影響
碳纖維與水泥材料表面之間的作用, 不是簡單的二維邊界, 還包括介面間的過渡區和不同的層次, 所以介面結構及邊界效應直接影響着材料的最終性能。對碳纖維進行表面處理, 可以有效改善碳纖維與水泥基材料的.粘結性。目前, 碳纖維表面處理方法分爲表面化學反應以及表面塗覆兩大類, 表面化學反應中的氧化法分爲液相和催化兩種, 非氧化法分爲晶須法和聚合物接枝法等。王大鵬等[6]使用氣液雙效法對碳纖維進行表面處理, 提升了碳纖維的抗拉強度, 改善了碳纖維在水泥基材料中的分散性, 促使材料層間剪切強度增加, 使複合材料壓敏性變得更爲穩定。
3 複合材料壓敏性的變化機理
3.1 複合材料的介面效應
對於複合材料壓敏性的機理解釋, 多位學者提出了很多理論, 其中包括材料在壓縮和拉伸過程中碳纖維的拉拔模型、壓縮過程中產生的隧道導電效應及電導滲流現象等, 這些都有效解釋了壓敏性的變化機理。李卓球等[7]研究了基於介面效應的壓敏性變化機理, 透過研究複合材料在拉拔過程中的壓敏性, 討論了剪滯理論在其中的應用, 推匯出了介面處軸向正應變的計算公式。研究發現, 碳纖維在拉拔過程中介面電阻的變化是電阻率發生變化的主要原因, 而介面應變的增大會導致試樣電阻的增加。
3.2 複合材料微觀結構研究
對材料的微觀結構進行研究, 有益於直觀分析碳纖維在不同條件下的分佈以及微觀孔隙狀態。黃世峯等[8]採用壓力成型法制備碳纖維水泥基材料, 發現10 MPa成型壓力製備的試樣較2 MPa成型試樣的孔隙率明顯變小。分析孔隙分佈發現, 2 MPa製備的試樣>0.8μm的孔徑會增多, 10 MPa製備的試樣>0.2μm的孔徑會增多。2 MPa成型壓力製備的試樣與10 MPa試樣的溫敏性也存在一定的差異, 其中2 MPa成型試樣臨界溫度範圍爲75~100℃, 10 MPa成型則爲100~120℃。
4 結論
碳纖維水泥基材料具有高強度、高彈模的特點, 同時其特有的壓敏性可製作成嵌入式傳感器。碳纖維與水泥基材料的相容性較好及較低的製造成本, 可促使材料得到廣泛的應用, 且克服了傳統材料耐久性、穩定性較差的缺點。透過對碳纖維水泥基複合材料在持續加載以及循環加載兩種加載方式時壓敏性的研究, 探討了材料含水率對壓敏性的影響以及氣液雙效法處理碳纖維對材料的改善效果, 從介面效應及微觀結構分析了材料壓敏性變化的機理, 爲材料的廣泛應用提供了理論依據。
參考文獻
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