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电泳沉积改性玄武岩纤维增强聚合物复合材料的电学、力学和损伤自感知性能
研究背景
玄武岩纤维增强复合材料以其优异的力学性能、化学稳定性和环境友好性被广泛应用于航空航天、国防、能源化工、建筑、交通等行业。BFRРs具有优异的力学性能，但这种复合材料的性能对结构变形和微损伤很敏感。结构内部的微裂纹会导致结构在长期使用中失效。因此，监测BFRPs损伤的发生和演变具有重要意义。无损检测作为一种有效的复合材料检测方法，已广泛应用于损伤感知过程中，如计算机断层扫描(CT)扫描、b超扫描、声发射检测技术等。原位电测量被认为是复合材料损伤监测最有效的非破坏性方法之一，碳纳米材料使得bfrp从绝缘材料转变为导电复合材料成为可能。研究发现，具有热解碳涂层的BF可以作为监测复合材料结构失效的传感器，特别是在诱导损伤较大的情况下，但需要提高监测整个损伤演变过程的能力。开发一种既具有损伤自感知能力又具有优异力学性能的新型复合材料具有重要意义。
研究方法
本研究通过电泳沉积(EPD)将功能化的碳纳米管沉积在BF表面，并将改性后的BF加入复合材料中，研究复合材料的力学、电学性能和声发射信号之间的相关性。研究还分析了不同沉积电压对复合材料力学性能的影响。同时测试了EPD20-BFRPs在外加载荷作用下的电响应和声发射特性。通过材料的机械发射、电发射和声发射之间的耦合关系，研究了其内部导电网络的破坏过程。
实验结果解析
图2. 图a-e显示，原纤维表面相对光滑，EDS结果证明原纤维表面很少观察到碳元素。随着EPD工艺中沉积电压的增加，由于COOH-CNT在高压电场下的迁移率更强，使得表面上的CNTs沉积增多且分布更加均匀。当沉积电压为25 V时，在纤维表面出现了CNTs的聚集(图f)。由于纤维表面导电网络接近饱和，高压沉积并不能提高其导电性，而聚集体的出现不利于树脂润湿，会导致复合材料中的应力集中。
图4. 拉伸和弯曲载荷下的模量、强度和破坏应变随着EPD电压的增加而增加，直至20v。在25 V的沉积电压下，由于碳纳米管团聚体的存在，EPD-BFRP的力学性能没有进一步提高。
表2. 经epd处理的样品与未改性BFRP的力学性能增长比。
图7. EPD-BFRP在拉伸载荷作用下及其破坏过程示意图分别如图7a&c所示。破坏过程可分为弹性变形、损伤演化、裂纹贯通和完全断裂四个阶段。多层BFRP受弯示意图如图7b所示。第四阶段，累计命中次数迅速增加到14000次左右，应力-应变曲线和RRC出现突变。最终RRC和声发射信号消失(图7 (d6))。上下表面均有功能层的多层BFRP表现出明显的损伤自感知行为。该特性可用于测试弯曲载荷作用下的受力方向。
实验总结
本研究采用COOH-CNTs的EPD改性BF织物制备了具有较好力学性能和原位损伤自感知能力的BFRP。EPD-BFRP的通层电阻率比面内方向高1个数量级。与未改性的BFRP相比，EPD20-BFRP具有更高的拉伸模量(提高37.5%)和弯曲模量(提高14.9%)，这是由于在BF表面沉积CNTs改善了所获得材料的应力传递和界面性能。
拉伸和弯曲损伤过程中的声发射信号与RRC响应吻合较好。低dB声发射信号(40 ~ 60 dB)与破坏过程中的弹性变形和损伤演化相对应，并伴有相对线性的RRC。高分贝声发射信号对应裂纹合并和完全破裂，并伴有较大的RRC。单层EPD20-BFRP在拉伸和弯曲过程中表现出较高的规范因子(GF)，分别为44.3和14.6。在拉伸过程中，多层BFRP的rcs与单层BFRP的趋势非常相似，但单层BFRP的GF显著高于多层BFRP。下表面功能层的RRC在弹性变形和损伤演化阶段呈线性增加；上表面功能层，由于纤维的屈曲和压缩形成了新的导电路径，电阻降低，在弹性变形阶段RRC减少，在第二阶段损伤演化出现拐点。含有单层EPD20-BFRP的多层BFRP在上下表面受弯曲荷载时表现出明显的RRC响应。这种行为可以用来确定施加在结构上的应力方向。研究结果表明，EPD-BFRP适用于原位损伤自感知。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2023.11.003
期刊简介
Progress in Natural Science: Materials International(PNSMI)由中国材料研究学会主办，是一本综合类英文SCI学术期刊，刊登材料科学领域的基础研究和应用基础研究方面的高水平、有创造性和重要意义的最新研究成果。
2022年最新影响因子4.7，分区为中科院材料科学二区。入选2019年中国科技期刊卓越行动计划，2022、2023连续两年获评中国最具国际影响力学术期刊。
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