美国橡树岭国家实验室开发复合材料结构完整性监测方法

碳纤维复合材料(特别是环氧树脂-碳纤维复合材料)的纤维与基体之间的粘结失效时,往往会发生分层并造成材料失效,这种失效经常是在没有预兆的情况下突然发生的,这使得复合材料在结构应用方面受到了一定程度的限制。

美国橡树岭国家实验室和弗吉尼亚理工大学的研究人员最近正在进行一系列复合材料结构完整性监测方法的研究,其中一项研究是将压敏电阻材料嵌入复合材料中,这些压敏电阻材料的电阻会随应变进行改变,并将机械应变转换为电信号,使用传感器对电信号进行检测可以达到监测复合部件结构健康状况的目的。

研究人员选择了TiO2作为压敏电阻材料, 并将TiO2纳米颗粒嵌入碳纤维的聚合物涂层中,使其均匀分布在整个复合材料中。研究发现嵌有TiO2纳米颗粒的碳纤维复合材料的电阻随应变增加而增加,并在消除应力后恢复正常,证明了这一理论的可行性。同时,研究发现纳米颗粒的含量在1.5%时,少量的纳米粒子会使裂纹偏转并将纤维锁定在一起,复合材料的强度最佳,超过这一比例时,纳米粒子会传播裂纹并降低复合材料的整体强度;纳米颗粒的含量在1%时,复合材料具有较好的阻尼值,这一属性可以改善振动性能,减少疲劳并提高耐撞性。