碳纤维树脂基复合材料机敏性研究

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碳纤维具有比重小、比强度高、耐高温、导电、导热,耐腐蚀等特点,碳纤维树脂基复合材料在我国已成为高新技术应用和研究的重点。近年来,国内外开始研究碳纤维材料机敏性,并利用这种特性制备具有感知周边环境变化功能的传感器。但有关碳纤维树脂基复合材料机敏性的研究报道还很少。开展碳纤维复合材料机敏性的研究非常必要。 本文以短切碳毡树脂基复合材料及单向连续碳纤维树脂基复合材料为研究对象,通过大量试验,研究了在改变外部环境条件下,碳纤维树脂基复合材料导电性能的变化。这些外部环境因素包括:环境温度,外加电压,拉伸应力,弯曲荷载。通过对实验结果的分析,得到了外加电压与通过材料的电流、温度变化与材料电阻、拉伸应力与材料纵横向体积电阻率、弯曲变形与材料纵横向体积电阻率的关系。证实了碳纤维树脂基复合材料具有的机敏性能,即外部温度、拉伸应力、弯曲变形的变化都能引起材料自身电阻率的变化。 通过对短切碳毡和单向连续碳纤维两种树脂基复合材料拉伸应力与电阻率关系实验结果的分析,确定了短切碳毡树脂基复合材料纵向、横向体积电阻率分别与应力成正比的数学模型,证实了其电阻率变化与拉伸应力之间一一对应的关系,这一规律使得短切碳毡树脂基复合材料可用于制备应力传感器。但单向连续碳纤复合材料的纵向电阻率随应力的增加变化不大。 针对短切碳毡树脂基复合材料进行了弯曲实验,表明弯曲荷载对纵向体积电阻率宏观上影响不大,而横向体积电阻率与试样弯曲变形成正比。 通过一系列温度-电阻实验,证明碳纤维树脂基础复合材料具有PTC效应或NTC效应,并分析和探讨了影响碳纤维树脂基复合材料温度-电阻变化的内在因素。 电流-电压实验证实了短切碳毡及单向连续碳纤维树脂基复合材料的导电性能符合欧姆定律。对力学实验破坏前后试样断口进行了扫描电镜观察,结合微观结构分析,建立了两种碳纤维复合材料的导电模型。 另外,本文还讨论了碳纤维含量、拉伸模量对材料体积电阻率的影响
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