介电分析在纤维增强复合材料健康监测中的应用.pdfVIP

介电分析在纤维增强复合材料健康监测中的应用 A．Maria3 M．Karbhari3，AbaniUa 李岩1，胡春静2，Vistasp (1同济大学航空航天与力学学院。上海，中国200092； 2同济大学材料科学与工程学院，上海，中国200092； 3美国加州大学圣地亚哥分校结构工程系，美国加州92093—0085) 摘要：本文讨论了介电分析方法在纤维增强复合材料加工过程中的质量控制和在复合 材料使用过程健康监测方面的应用。通过使用介电分析仪，表征不同固化温度以及在不同使 用环境条件下的E一玻璃纤维增强环氧树脂的特性，并将所得的结果与用称重法所直接测得 的吸水量结果相对比。结果表明用介电分析法所测得的结果与材料的吸水性有着直接的关 联，由材料吸水所引起的聚合物或复合材料的其他性能的变化也可由介电分析技术准确表征 出来，显示了该方法在复合材料健康监测中的应用前景。 关键词：介电分析耐久性复合材料健康监测E玻璃纤维／环氧树脂 0 引言 目前，常温固化的树脂体系，如环氧树脂、乙烯乙酯等的应用越来越普及，特别是在土木工程应用中。然 而，在该领域内所使用的复合材料的加工方法通常为手糊成型、树脂浸润和拉挤成型，对于这些成型工艺方法， 由于在制备过程中不使用传统的热压罐或热压机等成型设备，因此树脂的固化程度明显较低，树脂最终的完全 固化将在某一较高的温度下或在使用过程中逐步实现。而树脂体系的不完全固化或较低的固化度所带来的最 直接的影响就是材料对周围潮湿环境的抵御能力下降，从而使材料的模量和尺寸稳定性下降。因此，树脂基体 的固化行为对土木工程应用中所使用的复合材料体系的性能影响非常大。这就使得人们对在此领域内应用的 树脂体系的固化过程的确定、监测和控制有了进一步的要求。由于上述所提的最终完全固化并非在短时间内 实现，因此需要对复合材料的使用过程进行健康监测，而微观介电分析则为这一监测提供了可能性u-5J。 微观介电分析仪(DEA)是一个综合的介电测量系统，它通过传感器来测量由电激化所产生的介电信 号，因此可用来研究、监测和优化复合材料、聚合物材料以及其他有机材料的固化和介电性能【6-9J。用于测 量材料介电性能的传感器有多种应用模式：从最简单的在传感器上涂上树脂层，到将传感器埋到构件的层与 层之间。通常，对于复合材料健康监测应用，多是将传感器预埋在所研究的试样或构件中，通过测量复合材 料在成型后以及使用过程中的介电性能的变化，来监测其固化程度等一系列性能。在监测制件焊接线和弯 曲构件等特殊形状和位置的性能时，则可选用薄的、可弯曲的传感器来实现。 介电分析技术是用来确定试样在—个随时间变化的电场中的电极化和导电行为。由于用来测量介电信号 的传感器可以被永久地埋在构件中，因此这种技术不仅能用来监测复合材料的固化过程，在复合材料健康监测 方面也有很好的应用前景。介电分析为经济、简便和非破坏性地对复合材料进行健康监测提供了新思路。 本研究尝试采用介电分析技术来监测E一玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的固化和使用过程中的性能 变化。并将介电分析方法所测得的结果与用称重法所测得的材料的吸水行为加以对比，以验证结果的正确 性以及两者之间的关联性。同时，在分析复合材料吸水特性和由吸水所导致的材料性能下降的机理基础上， 研究介电分析技术在复合材料健康监测中的应用前景。 ·1174· 1材料与实验方法 1．1材料 选用三个温度来固化非编织的E玻璃纤维增强双酚A环氧树脂复合材料，分别为24℃，60℃和90℃。 试样厚度为2lrlln。介电分析的传感器埋在复合材料中间层内。埋有传感器的复合材料试样和纯树脂试样分 水。并定期地从上述两种环境中取出试样，进行测试，研究他们的介电性以及吸水性等其他性能随时间的变 化。 (a)埋有介电分析传感器和热电偶的E玻璃 (b)环氧树脂试样 纤维增强环氧树脂复合材料 图1实验用材料试样照片 1．2实验方法