碳纤维复合材料国内外研究现状

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碳纤维复合材料是一种新型结构材料，因其比强度高、轻质、抗疲劳、耐腐蚀等优良性能而被广泛地应用于军事、航空航天等诸多领域[19]；同时，该材料具有良好的自感知特性，其力阻效应十分明显[20-21]。基于碳纤维复合材料优良的承载特性和自感知特性，可以尝试构建混凝土结构自感知测试系统，进行服役状况评价，监测结构的工作环境、承受载荷、结构响应和调节性能，反演和正推结构损伤积累与演化过程及结构抗力衰减规律、评定结构的安全状态进而科学地对结构进行养护、维修和全寿命分析与设计。国内外学者主要从承载特性和自感知特性两方面对碳纤维复合材料在土木领域的应用进行了研究。87573

碳纤维复合材料具有自感知特性，力阻效应受到材料形式、荷载情况、纤维含量等多因素影响。学者们对碳粉、单丝、筋材和层等不同形式碳纤维材料的自感知特性开展了试验研究和理论探索。

1、树脂基碳粉复合材料力阻效应影响研究

近年来，随着新型材料的快速发展，学者们对树脂基碳粉(碳纳米管、炭黑)复合材料的力阻效应展开了较多的研究[22]。YuenSM[44]等分析了树脂基微碳纳米管复合材料的特性和形态，发现复合材料的表面和体积电阻率都会随着碳纳米管掺量增长而呈下降趋势。MaC[23]等在低磁场下，实现了碳纳米管与催化剂镍粒子在树脂基体中对齐排布，通过测试发现随着碳纳米管掺量增长，复合材料电阻率快速降低了6个量级以上。Shen JT[24]等研究了树脂基炭黑和碳纳米管复合填充材料的电阻随压缩、膨胀和温度变化的规律，结果表明：复合材料电阻在受压时减小，受拉时增大，且受温度影响明显。乐想正[25]，季小勇[26]等分别研究了不同纳米碳粉和炭黑掺量的树脂基碳粉复合材料的电阻—应变行为，发现其电阻随应变的变化线性度较好，且存在最优掺量，使复合材料达到最高的灵敏度。论文网

2、碳纤维单丝力阻效应研究

碳纤维单丝是碳纤维复合材料承载和导电的主要载体。WangX等将碳纤维单丝封装于基体中，其循环拉伸试验结果表明：循环应力幅较小时，碳纤维电阻随应变变化线性关系良好且完全可逆；随着循环应力幅的增长，超出材料弹性范围，电阻开始加速增长，表明碳纤维逐渐开始断裂破坏。郑立霞[27]、张博明等[28]总结了碳纤维单丝在受拉时的电阻率随应变的变化规律并进行了机理分析，发现碳纤维单丝力阻效应线性度较好，而灵敏度值范围在2~3之间，与传统应变片接近。文献综述

3、树脂基碳纤维筋材力阻效应研究

碳纤维筋材在土木领域应用十分广泛，学者们对筋材及加筋混凝土梁的力阻效应进行了探索分析。BakisCE等[29]以树脂基碳纤维筋材监测结构的变形和损伤，探讨了筋材电阻随应变变化的原因：材料的宏观变形、纤维搭接状态及纤维破坏等。YangCQ等[30]研究了不同标距长度(20cm，30cm，50cm)对碳纤维筋的自感知特性的影响，结果表明：不同标距长度的初始电阻差小于5%，灵敏度在2。1~3。8之间。欧进萍等[31]研究不同直径（4mm，6mm）和不同碳纤维含量（54%、60%、65%）的碳纤维筋电阻—应变关系的影响，结果表明其电阻随应变的变化较明显；线性阶段内，灵敏度在30~40之间，极限电阻变化率在31%~64%；电阻变化率随碳纤维含量的增高呈下降的趋势。进一步对碳纤维加筋梁进行弯曲试验，发现梁内碳纤维筋极限电阻变化率为3。96%~6。74%，仅为碳纤维筋的20%。

4、树脂基碳纤维层力阻效应研究

利用树脂基碳纤维层与结构构件的协同工作，可以提高结构或构件的承载力和延性，对结构进行加固。同时基于碳纤维层的自感知特性，能够实现对结构的实时面域监测。VavouliotisA等[32]对碳纤维层进行准静态拉伸试验，发现电阻随应变先降低，后快速增长。ChungDDL等[33]对碳纤维层压板进行循环拉伸实验，发现轴向电阻随拉应变增大或减小会相应的可逆增大或减小。宋显辉等[34]对碳纤维层进行拉伸试验，得到了其电阻—应变的对应关系，结果表明其灵敏度高于60，线性度、稳定性和重复性等指标较好。唐健、刘冬、骆心怡等研究了循环拉伸试验中，叠层层数和铺设角度对碳纤维层电阻—应变关系的影响，发现局部叠层对灵敏度略有提高，碳纤维层数增多时，灵敏度有所降低，但电阻—应变关系的稳定性更好。PrasseT等[35]应用声波探测技术测试了碳纤维层合板在轴向循环拉伸试验中可能出现的几种破坏形式。SchulteK等[36]发现碳纤维层合板在受拉时的电阻受应变与纤维破坏影响明显。Takahashi K等[37]检测了受压损伤的单向碳纤维层的压阻特性：随压应力的增大，弹性范围内，电阻变化率线性下降；超出弹性阶段后，电阻变化率逐渐加速增长。TodorokiA[38]等分析了不同层厚碳纤维的电阻受材料分层与开裂的影响。