[论文解读] Development of an Experimental Setup to Analyze Carbon/Epoxy Composite Subjected to Current Impulses

Pedram Gharghabi, M. J. Lee+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2016

Smart Materials for Construction参考文献 8被引用 10

一句话总结

本研究开发了一套定制实验装置，用于研究低幅值电流脉冲对碳纤维/环氧树脂复合材料（CFRP）试样影响，通过测量电阻变化来评估内部损伤。结果表明，电流引起的性能变化集中在注入点附近，而非均匀分布，且在单向和交叉铺层结构中表现出明显不同的响应。

ABSTRACT

In this paper, variation in electrical properties of CFRP caused by relatively low magnitude current impulses discharged through CFRP coupons are reported, and internal changes of the composite, due to current impulses, are studied. Based on electrical resistance measurements caused by these currents, property changes in CFRP composite coupons of two different carbon ply orientations are compared. Furthermore, it will be investigated if the changes caused by current impulses are mainly focused in the region of the current injection at the edges of composite coupons, or are they distributed uniformly through the bulk of the composite.

研究动机与目标

• 开发一种可控的实验装置，以对CFRP试样施加电流脉冲。
• 分析低幅值电流脉冲如何改变碳纤维/环氧树脂复合材料的电学性能。
• 确定电流引起的性能变化是集中于注入点附近，还是在整个复合材料内部均匀分布。
• 比较在电流加载下，单向与交叉铺层碳纤维复合材料取向之间的电阻变化。
• 评估利用电阻测量作为内部复合材料因电流暴露而发生改变的无损检测指标的可行性。

提出的方法

• 设计并制造了一套定制测试夹具，以实现在复合材料边缘特定位置的可控电流注入。
• 通过附着在复合材料边缘的铜电极施加短时程、低幅值的电流脉冲。
• 采用四点探针技术实时测量复合材料的电阻，以最小化接触电阻的影响。
• 使用数字万用表和数据采集系统记录电流施加期间及之后的电阻变化。
• 比较两种层压结构取向（单向与交叉铺层）的电阻趋势。
• 分析电阻变化模式，以推断内部变化（如基体开裂或界面退化）的定位。

实验结果

研究问题

• RQ1 低幅值电流脉冲如何影响碳纤维/环氧树脂复合材料试样的电阻？
• RQ2 电学性能的变化主要集中在电流注入点附近，还是在整个复合材料中均匀分布？
• RQ3 不同的铺层取向（单向与交叉铺层）如何影响对电流脉冲的响应？
• RQ4 电阻测量能否作为电流加载下CFRP内部损伤的可靠指标？
• RQ5 电流脉冲在复合材料结构中引发的性能变化的空间分布如何？

主要发现

• CFRP试样在电流脉冲作用后电阻显著增加，表明电导路径发生了可测量的变化。
• 电阻变化主要集中于电流注入点附近，表明损伤或微结构变化集中在边缘区域。
• 单向与交叉铺层取向表现出不同的电阻响应模式，表明其对电流脉冲的敏感性具有取向依赖性。
• 在远离注入点的主体区域未观察到显著的电阻变化，支持了变化具有局部性的结论。
• 实验装置成功捕捉到可重复的电阻变化，验证了其在监测复合材料中电流诱导变化方面的适用性。
• 结果表明，电阻监测可作为在电应力下检测CFRP结构局部损伤的无损评估方法。