树脂基碳毡复合层力阻特性的细观统计建模研究

发布时间：2016-11-23 08:12

本文关键词：基于动力响应的大型桥梁健康监测的一些问题，，由笔耕文化传播整理发布。

《武汉理工大学》 2011年

方玺

【摘要】：基于国家自然科学基金项目“核安全壳应力监测的复合敏感层传感机理及成像”,围绕碳毡复合层的力学传感特性,开展了不同尺度下碳毡复合层的力阻效应及其机理等研究工作。研究内容包括碳纤维毡复合层分别在手糊成型工艺和真空袋压成型工艺下的宏观力阻特性、碳纤维单丝在不同表面改性方式下的力阻效应、基于随机高阶电阻网络的碳毡复合层的统计建模及其应用等工作。主要获得了以下几个方面的研究成果： (1)通过系列实验得到了碳毡复合层分别在手糊工艺和真空袋压工艺下其力阻特性及灵敏度上的力阻响应规律,结果表明手糊成型工艺下碳毡复合层具有高灵敏度但稳定性欠缺,真空袋压工艺下碳毡复合层高稳定性但灵敏度较低的传感特征,发现并分析了影响复合层力阻效应的实质在于纤维单丝自身的力阻特性、纤维搭接处电阻的变化以及碳毡无规导电网络受载下的响应。 (2)表面改性对碳纤维单丝的力阻传感特性有所作用。硝酸液相氧化4h可使得碳单丝灵敏系数和线性度达到最优,经丙酮表面处理后其灵敏系数以及线性度有较为显著的提高。 (3)同一外载荷在纤维方向产生的应变对碳纤维单丝电阻变化率的作用强于垂直纤维方向上的应变对电阻变化率的作用,且两者力阻效应反向。得到了外载荷作用下碳纤维单丝电阻变化率与偏轴拉伸角度间的非线性关系,62°拉伸偏转角为正负力阻效应的临界角度。 (4)建立了N×N阶电阻网络计算模型,结合碳毡导电机理的研究背景对此模型进行了改进,并通过自设计程序予以实现大规模计算,通过多组不同阶数下精密电阻随机组网的统计实验,在置信度为95%下验证了模型和算法的可靠性和高精确度。 (5)捕捉到了碳纤维单丝接触处的电阻响应在不同受载阶段下的实验现象,分析发现纤维搭接处受到外加载荷在尚未破坏前,搭接处的电阻表现为接触电阻,压应变增大接触电阻表现出同步线性减小,压应变减小接触电阻同步线性地增大。当外载荷超过阂值后接触处发生破坏,搭接处纤维间的相对位置发生微弱改变,原接触电阻表现为由隧道效应产生的非接触电阻,阻值急剧增大且随外载同步变化。 (6)基于N×N阶电阻网络计算模型,建立由改性后碳纤维单丝拼构形成的纤维网络单元,通过图像处理技术获得了计算模型的中各阻值,结果表明计算所得网络初始电阻与实测阻值较为接近,且所建网络模型能较好地体现碳毡复合层的力阻传感特性。 (7)微米尺度下进行碳毡复合层的细观统计建模,得到碳毡内平均搭接长度为12.2μm等重要网络参数。基于随机电阻网络模型分别估测了不同尺寸的碳毡复合层的初始电阻,估测均值较为接近相应实测值,首次通过该模型对碳毡复合层的力阻特性进行了描述,结果表明本文所建电阻网络模型可用于定量地表征碳毡复合层受外载时体现出的力阻特性。

【关键词】：
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TB332
【目录】：

摘要5-7

Abstract7-12

第1章绪论12-26

1.1 问题的提出12-13

1.2 智能材料在结构健康监测中的研究现状13-15

1.3 碳纤维智能材料的研究现状15-20

1.3.1 机敏混凝土的研究现状15-16

1.3.2 树脂基碳纤维智能材料的研究现状16-20

1.4 碳毡分析及其应用的研究进展20-22

1.5 本文的研究意义和内容22-26

1.5.1 研究意义22-23

1.5.2 研究内容23-24

1.5.3 章节安排24-26

第2章碳毡复合层力阻效应及其机理分析26-45

2.1 前言26

2.2 手糊成型工艺下的碳毡复合层的力阻传感特性26-35

2.2.1 实验材料及其性能26-27

2.2.2 实验仪器设备及主要技术指标27-28

2.2.3 碳毡复合层手糊成型制作工艺28-29

2.2.4 实验设计29-30

2.2.5 实验结果分析30-35

2.3 真空袋压成型工艺下的碳毡复合层的力阻传感特性35-39

2.3.1 碳毡复合层真空袋压成型工艺35-36

2.3.2 实验结果分析36-39

2.4 碳纤维复合层的初步应用39-43

2.4.1 结构表面裂纹的检测39-40

2.4.2 碳纤维毡复合层受载时的电阻率反演40-42

2.4.3 碳纤维毡复合层的温阻效应42-43

2.5 本章小节43-45

第3章碳纤维单丝力阻效应及机理分析45-66

3.1 前言45

3.2 碳纤维单丝轴向拉伸45-48

3.2.1 实验设备与试样制作45-46

3.2.2 实验结果分析46-48

3.3 碳纤维表面改性及其表征48-55

3.3.1 XPS分析48-53

3.3.2 SEM分析53-54

3.3.3 TGA分析54-55

3.4 表面经不同处理方式下的碳纤维单丝的力阻响应55-59

3.4.1 碳纤维单丝的单调拉伸55-58

3.4.2 树脂基碳纤维单丝的循环拉伸58-59

3.5 碳纤维单丝偏轴拉伸59-64

3.5.1 试验设计59-60

3.5.2 碳纤维单丝力阻响应60-62

3.5.3 碳纤维单丝偏轴拉伸力阻响应的理论分析62-64

3.6 本章小节64-66

第4章碳毡复合层的电阻网络的设计66-92

4.1 前言66

4.2 碳纤维毡形态分析66-75

4.2.1 碳毡碳纤维含量的仿真67-69

4.2.2 碳纤维单丝指向和相对位移69-73

4.2.3 碳毡电阻网络模型的构建73-75

4.3 N×N无规随机网络75-91

4.3.1 四个等效变换关系及简要算法75-83

4.3.2 算法的改进83

4.3.3 改进算法的仿真及验证83-91

4.4 章节小节91-92

第5章碳纤维单丝网络单元的力阻效应92-109

5.1 接触电阻的讨论92-99

5.1.1 接触电阻的力阻实验92-96

5.1.2 接触电阻的隧道效应96-99

5.2. 碳纤维单丝网络单元的力阻实验99-102

5.2.1 碳单丝网络单元的试样制备99-100

5.2.2 碳单丝网络单元的力阻效应100-102

5.3 碳单丝网络单元的力阻效应建模与分析102-108

5.3.1 碳单丝网络单元中各段纤维初始电阻的确定102-105

5.3.2 碳纤维单丝网络单元力阻效应的模拟105-108

5.4 本章小节108-109

第6章基于随机电阻网络碳毡复合层力阻建模109-122

6.1 随机碳毡导电网络的细观建模109-113

6.1.1 电阻网络阶数及总接触点个数的确定110-111

6.1.2 搭接段平均长度的确定111-113

6.2 碳纤维毡复合层初始电阻的估测113-117

6.3 碳毡复合层的力阻特性细观统计分析117-121

6.4 本章小节121-122

第7章总结及展望122-125

7.1 本论文的主要结论122-123

7.2 需要进一步开展的工作123-125

参考文献125-136

致谢136-137

读博期间发表的论文与参加的科研项目137-138

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