基于界面效应的碳纤维水泥基复合材料压敏性研究

摘要

碳纤维水泥基复合材料压敏性受到多方面因素的影响，其压敏性机理是非常复杂的。碳纤维水泥基复合材料界面是碳纤维与水泥基体间传递应力和其它信息的桥梁，界面性能直接影响着复合材料的综合性能，对材料的压敏性起重要作用。 在国家自然科学基金项目(项目编号：10672128)的资助下，本文对碳纤维水泥基复合材料压敏性的国内外研究现状进行了全面评述。在现有的研究基础上，从碳纤维水泥基复合材料的界面性能出发，研究碳纤维的表面处理对材料压敏性的影响，研究碳纤维水泥基复合材料界面性能对材料压敏性的影响及作用机理。具体工作及研究成果如下： (1)研究了不同的碳纤维表面处理对碳纤维水泥基复合材料压敏性的影响及机理。未经表面处理的碳纤维-水泥基体粘结强度低，容易脱粘。经表面处理的纤维表面的各种含氧极性基团增加，有利于化学键的形成，提高界面的粘结强度和韧性，从而提高了材料压敏性可靠性与重复性，但灵敏度有一定程度降低。 (2)通过连续碳纤维长丝拉伸实验和单丝拔出实验研究了碳纤维水泥基复合材料压敏性机理。在碳纤维拔出过程中，随着拉伸位移的增加，试样电阻随之增大。当纤维拔动时，界面力达到极值，试样电阻迅速增大。分析实验结果可知，碳纤维拔出过程中试样电阻的变化主要是由碳纤维-水泥基体界面因素引起的。 (3)研究了在等幅循环和增幅循环载荷作用下碳纤维水泥基复合材料电阻的变化规律。结果表明：试样电阻变化规律与界面结构变化一致。在界面应力的作用下，碳纤维一水泥基体会发生脱粘和弹性变形，弹性变形导致的电阻变化可逆，而由脱粘造成的电阻变化是不可逆的。 (4)建立了基于界面效应的碳纤维水泥基体复合材料压敏性模型。根据剪滞理论提出了碳纤维水泥基复合材料单丝拉伸力学计算模型，结合实验分析所得界面应变与电阻变化之间的关系，提出基于界面效应微单元电阻模型。该模型有效地解释了界面应变、碳纤维掺量以及含水量对材料压敏性的影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2智能复合材料的研究与进展

1.3碳纤维水泥基复合材料研究现状

1.3.1碳纤维水泥基复合材料的电学性能

1.3.2碳纤维水泥基复合材料的压敏性

1.3.3碳纤维水泥基复合材料的导电机理

1.3.4碳纤维-水泥基体界面效应研究

1.4论文的研究目标和内容

第2章碳纤维表面特性对碳纤维水泥基复合材料压敏性的影响

2.1前言

2.2碳纤维水泥基复合材料界面性能

2.2.1碳纤维材料特性及表面形貌

2.2.2碳纤维水泥基复合材料界面特性

2.2.3碳纤维-水泥基复合材料界面力学特性

2.3碳纤维表面氧化处理对压敏性的影响

2.3.1碳纤维表面处理方法

2.3.2碳纤维表面处理的效果表征

2.3.3实验研究

2.4本章小结

第3章碳纤维水泥基复合材料压敏性微观测试实验研究

3.1前言

3.2实验方法设计

3.2.1实验原材料

3.2.2实验仪器型号及性能

3.2.3测试方法

3.2.4实验方法

3.3实验结果与讨论

3.3.1连续碳纤维单丝力学性能的测试结果

3.3.2连续碳纤维单丝电学性能的测试结果

3.3.3单丝拔出实验测试结果

3.3.4碳纤维电阻变化对试样电阻的影响

3.3.5单丝受循环载荷实验测试结果

3.5本章小结

第4章碳纤维水泥基复合材料压敏性的机理研究

4.1前言

4.2碳纤维水泥基复合材料界面特性的影响因素

4.2.1碳纤维含量对界面的影响

4.2.2纤维长度对界面的影响

4.3碳纤维水泥基复合材料界面模型

4.3.1界面应力传递的理论计算

4.3.2界面应变特征分析

4.3.3碳纤维水泥基复合材料电阻模型

4.4碳纤维水泥基复合材料压敏性机理分析与讨论

4.4.1碳纤维水泥基复合材料电阻模型

4.4.2理论模型计算对比分析

4.4.3界面效应理论模型

4.5本章小结

第5章全文总结与研究展望

5.1本文研究工作总结

5.2研究展望

参考文献

附 录

致谢