一种混杂碳纤维复合材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种混杂碳纤维复合材料及其制备方法与应用。本发明专利技术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，将本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种混杂碳纤维复合材料及其制备方法。本专利技术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℃。本专利技术的另一个目的是提供本专利技术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，将本专利技术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。以本专利技术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。在本专利技术中，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。本专利技术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。本专利技术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，并提高了应用本专利技术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。本专利技术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。具体实施例方式本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴智深，杨千才，叶列平，
申请(专利权)人：吴智深，清华大学，
类型：发明
国别省市：JP[日本]