原材料中鋼纖維分布無損檢測的研究

茹祎杰

（華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院 河南 鄭州 450000）

0 引言

鋼纖維是一種應(yīng)用范圍最大、適用范圍最廣、發(fā)展最迅速的工程結(jié)構(gòu)材料。周文龍等[1]探討了鋼纖維在道路橋梁施工中的應(yīng)用。郭艷華等[2]、郝娟等[3]、張云國等[4]、慕儒等[5]基于對原材料中鋼纖維的三維擾動和鋼纖維對原材料的破壞作用的分析，得出了鋼纖維在原材料摻合物的力學(xué)性能與纖維分布之間的關(guān)系。因此，在實際工程中，如何迅速、快捷地掌握纖維數(shù)量和纖維分布，對于正確判斷原材料中鋼纖維的力學(xué)特性有著十分關(guān)鍵的作用。隨著工程技術(shù)的發(fā)展，運用無損檢測方法判斷鋼纖維在空間中的分布變得極其重要。

近些年來，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者Ozyurt等[6]、牛恒茂等[7]、李長風(fēng)等[8]根據(jù)鋼纖維自身的導(dǎo)電性等特質(zhì)，提出了較為有效的無損檢測方法：交流電阻抗光譜學(xué)、四電極電阻率測量、開放式同軸探針測量、電磁感應(yīng)法、C型鐵磁探針法，這些方法對于預(yù)測原材料中的鋼纖維分布各有優(yōu)勢，但由于試驗夾具的限制，也各自存在缺陷。

1 交流電阻抗光譜學(xué)（AC-Impedance Spectroscopy）

Faifer等[9]、Ozyurt等[6]基于鋼纖維的導(dǎo)電性，提出了交流電阻抗光譜學(xué)。AC-IS通過施加激勵電壓，在一定頻率范圍內(nèi)測量電流的幅度和相位，然后將獲得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為阻抗的實部和虛部，并呈現(xiàn)在奈奎斯特圖上。因為在纖維－電解質(zhì)界面處形成了氧化膜，所以導(dǎo)電纖維在直流或低頻交流下是絕緣的。但當(dāng)處于高頻交流電作用時，鋼纖維是良好的導(dǎo)電體。將測得的阻抗值Z的虛部與實部畫成乃奎斯特特性曲線時，鋼纖維在原材料中表現(xiàn)出雙弧現(xiàn)象（這是由于導(dǎo)電纖維的頻率相關(guān)性而發(fā)生），曲線存在兩個拐點（圖1）：曲線靠右的拐點是在低頻（鋼纖維絕緣）情況下發(fā)生的，表征原材料摻合物基體的阻抗實部Rm，曲線左邊的拐點發(fā)生在高頻（鋼纖維導(dǎo)電）情況下，代表了纖維和原材料摻合物基體共同作用下的阻抗實部R。

圖1 原材料和SFRC的尼奎斯特特性曲線

Lataste等[10]采用AC-IS的方法，對鋼纖維在原材料中的分布進(jìn)行了檢測，并將原材料進(jìn)行切片。通過對比分析，驗證了AC-IS用于鋼纖維在原材料中的分布檢測是可行的。Woo等[11]、Wansom等[12]、Faifer等[9]313-318，對原材料摻合物基復(fù)合材料在混合和加工過程中的纖維分布進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果證明AC-IS是一種對新拌原材料摻合物基復(fù)合材料進(jìn)行無損評估的有效工具。

2 四電極法電阻率測量

四電極電阻率測試設(shè)備包括四根長方形橫斷面的探測器，各探測器末端用濕潤的海綿（確保探測器與原材料摻合物接觸）；儀器的測量由高電阻靜電計、電子毫伏計和數(shù)碼電壓計等組成。測試時，由于原材料中有不規(guī)則的鋼纖維存在，所以將低頻率的AC電流分別應(yīng)用于兩個電極（例如A和B），并由此推測出電阻。移動測試設(shè)備，通過觀察電阻率的變化，可以判斷出纖維的分布及結(jié)塊的位置。

圖2 電阻率測量實驗裝置圖

Barnett等[13]使用四電極電阻率技術(shù)評估超高性能纖維增強原材料面板中纖維的取向。根據(jù)所測的電阻率評價澆注面板中纖維分布的特征，并用X射線CT成像技術(shù)進(jìn)行驗證，發(fā)現(xiàn)此方法用于評價纖維在原材料摻合物基體中的分布是可行的。

3 開放式同軸探針

開放式同軸探測器是一種應(yīng)用于測定介質(zhì)參數(shù)改變的傳感元件。在一定的外場條件下，介質(zhì)會產(chǎn)生電荷，從而使電磁場減弱，因此，真空中原外加電場與介質(zhì)中電場的比值即為相對介電常數(shù)，與頻率相關(guān)。當(dāng)將高介電常數(shù)物質(zhì)置于電磁場中時，磁場的強度會明顯降低，而理想導(dǎo)電體的電磁場強始終為0，因而其介電常量無限大。

由于鋼纖維板的導(dǎo)電性能及原材料摻合物的隔熱特性，王晨宇等[14]使用開放式同軸探針測定鋼纖維原材料摻合物基板中的鋼纖維含量。開放式同軸探頭，如圖3所示。它由一個50Ω的同軸的導(dǎo)向器組成，內(nèi)徑5.9 mm，外徑20 mm，用一種絕緣材料（聚四氟乙烯，其相對介電常數(shù)為2.1），在一端設(shè)有一個寬度為60 mm的翼緣，以便探測器與樣品相接觸，而在其另外一端通過一條接口線與矢量網(wǎng)絡(luò)分析器相連。Van等[15]通過對含有0、20 kg/m3和40 kg/m3的鋼纖維原材料摻合物板（600 mm×600 mm×100 mm）進(jìn)行了大量的測量，得到了介電常數(shù)和纖維含量空間分布的曲線圖，通過分析得出開放式同軸探針可以用于鋼纖維原材料摻合物中的纖維分布檢測，但對于其他的鋼纖維復(fù)合材料還有待研究。

圖3 帶翼緣的開放式同軸探針的模型配置

4 電磁感應(yīng)法

電磁體法是根據(jù)電磁力（電導(dǎo)率、介電性、導(dǎo)磁性）不同而進(jìn)行的電法探測。Torrents等[16]基于鋼纖維在原材料中的電學(xué)特性，綜合其他學(xué)者的相關(guān)研究，采取新的測量系統(tǒng)對鋼纖維在原材料摻合物基體中的分布進(jìn)行了檢測。試驗設(shè)備（見圖4）基本上包含一個阻抗分析器和一個被纏繞在中空的正方形設(shè)備。電流感應(yīng)器在設(shè)備內(nèi)形成一個電場，將樣品放置于正方形設(shè)備中，使其發(fā)生磁場的變化，由電阻計測量。

圖4 電磁感應(yīng)實驗裝置

Faifer等[17]使用AGILENT LCR 4263B設(shè)備（對3種鋼纖維原材料摻合物（30 kg/m3、45 kg/m3和60 kg/m3）的電感進(jìn)行了測量，預(yù)測纖維的含量，并將試件進(jìn)行粉碎，將結(jié)果與之對比分析，精確度較高。

5 C型鐵磁探針法

由于鋼纖維具有一定的導(dǎo)磁性，因此可以通過測量原材料中的有效磁導(dǎo)率的相關(guān)參數(shù)來評估原材料中鋼纖維的分布和取向。將具有N匝繞組的C形磁芯放置在原材料摻合物基體上，以提供磁場。繞組自感受纖維分布的影響：分布越集中，電感越高。此外，它還受電磁線相對于纖維平均方向的取向的影響。當(dāng)磁芯和鋼纖維的平均方向相同時，電感可能達(dá)到最大。當(dāng)施加交流電時，由于鋼纖維的導(dǎo)磁性，會使電磁通路發(fā)生變化，進(jìn)而引起阻抗的變化。因此我們可以通過觀察阻抗的變化情況，評估鋼纖維在原材料摻合物中的分布。

Faifer等[18]使用C形鐵磁探針對原材料摻合物基復(fù)合材料中的纖維分布和取向進(jìn)行了測量，與之前的交流電阻抗測的結(jié)果進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)確性有所提高，并且該方法還易于操作。李路帆等[19]對超高強度鋼纖維原材料中的纖維不均勻分布對其力學(xué)特性的作用進(jìn)行了分析。張根俞等[20]進(jìn)行了四點彎曲試驗和剖面的影像分析，研究了纖維分布與原材料受彎性能的關(guān)系。試驗結(jié)果還證明，使用振動成形會對圓柱形試件中的纖維分布產(chǎn)生一定的影響。在振動狀態(tài)下，加3%的體積比鋼纖維后，其電感數(shù)據(jù)、單位面積纖維數(shù)、彎曲強度均有所提高。

6 結(jié)論

基于電學(xué)理論提出的交流電阻抗光譜學(xué)、四電極法電阻率測量、開放式同軸探針測量，以鋼纖維與原材料摻和物電磁性差異為基礎(chǔ)提出的電磁感應(yīng)法、C型鐵磁探針法在判斷纖維空間分布上各有利弊。

了解基體內(nèi)纖維的空間分布情況，對準(zhǔn)確判定纖維復(fù)合材料的性能具有重要的意義，開展 原材料摻合物基體中纖維分布與力學(xué)性能的關(guān)系理論研究，對設(shè)計與結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力性能相匹配的原材料摻合物復(fù)合材料成型工藝，促進(jìn)原材料摻合物復(fù)合材料制品高效能化、精準(zhǔn)化生產(chǎn)具有重要的工程價值和研究意義。