原材料中鋼纖維分布無損檢測的研究

茹祎杰

（華北水利水電大學土木與交通學院 河南 鄭州 450000）

0 引言

鋼纖維是一種應用范圍最大、適用范圍最廣、發展最迅速的工程結構材料。周文龍等[1]探討了鋼纖維在道路橋梁施工中的應用。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性能與纖維分布之間的關系。因此，在實際工程中，如何迅速、快捷地掌握纖維數量和纖維分布，對于正確判斷原材料中鋼纖維的力學特性有著十分關鍵的作用。隨著工程技術的發展，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，國內外相關學者Ozyurt等[6]、牛恒茂等[7]、李長風等[8]根據鋼纖維自身的導電性等特質，提出了較為有效的無損檢測方法：交流電阻抗光譜學、四電極電阻率測量、開放式同軸探針測量、電磁感應法、C型鐵磁探針法，這些方法對于預測原材料中的鋼纖維分布各有優勢，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（AC-Impedance Spectroscopy）

Faifer等[9]、Ozyurt等[6]基于鋼纖維的導電性，提出了交流電阻抗光譜學。AC-IS通過施加激勵電壓，在一定頻率范圍內測量電流的幅度和相位，然后將獲得的數據轉換為阻抗的實部和虛部，并呈現在奈奎斯特圖上。因為在纖維－電解質界面處形成了氧化膜，所以導電纖維在直流或低頻交流下是絕緣的。但當處于高頻交流電作用時，鋼纖維是良好的導電體。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出雙弧現象（這是由于導電纖維的頻率相關性而發生），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，曲線左邊的拐點發生在高頻（鋼纖維導電）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行了檢測，并將原材料進行切片。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合材料在混合和加工過程中的纖維分布進行監測，結果證明AC-IS是一種對新拌原材料摻合物基復合材料進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、電子毫伏計和數碼電壓計等組成。測試時，由于原材料中有不規則的鋼纖維存在，所以將低頻率的AC電流分別應用于兩個電極（例如A和B），并由此推測出電阻。移動測試設備，通過觀察電阻率的變化，可以判斷出纖維的分布及結塊的位置。

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評估超高性能纖維增強原材料面板中纖維的取向。根據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成像技術進行驗證，發現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用于測定介質參數改變的傳感元件。在一定的外場條件下，介質會產生電荷，從而使電磁場減弱，因此，真空中原外加電場與介質中電場的比值即為相對介電常數，與頻率相關。當將高介電常數物質置于電磁場中時，磁場的強度會明顯降低，而理想導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的同軸的導向器組成，內徑5.9 mm，外徑20 mm，用一種絕緣材料（聚四氟乙烯，其相對介電常數為2.1），在一端設有一個寬度為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絡分析器相連。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）進行了大量的測量，得到了介電常數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 電磁感應法

電磁體法是根據電磁力（電導率、介電性、導磁性）不同而進行的電法探測。Torrents等[16]基于鋼纖維在原材料中的電學特性，綜合其他學者的相關研究，采取新的測量系統對鋼纖維在原材料摻合物基體中的分布進行了檢測。試驗設備（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備。電流感應器在設備內形成一個電場，將樣品放置于正方形設備中，使其發生磁場的變化，由電阻計測量。

圖4 電磁感應實驗裝置

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

5 C型鐵磁探針法

由于鋼纖維具有一定的導磁性，因此可以通過測量原材料中的有效磁導率的相關參數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。當磁芯和鋼纖維的平均方向相同時，電感可能達到最大。當施加交流電時，由于鋼纖維的導磁性，會使電磁通路發生變化，進而引起阻抗的變化。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合材料中的纖維分布和取向進行了測量，與之前的交流電阻抗測的結果進行對比分析，發現準確性有所提高，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特性的作用進行了分析。張根俞等[20]進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系。試驗結果還證明，使用振動成形會對圓柱形試件中的纖維分布產生一定的影響。在振動狀態下，加3%的體積比鋼纖維后，其電感數據、單位面積纖維數、彎曲強度均有所提高。

6 結論

基于電學理論提出的交流電阻抗光譜學、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提出的電磁感應法、C型鐵磁探針法在判斷纖維空間分布上各有利弊。

了解基體內纖維的空間分布情況，對準確判定纖維復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性能的關系理論研究，對設計與結構構件受力性能相匹配的原材料摻合物復合材料成型工藝，促進原材料摻合物復合材料制品高效能化、精準化生產具有重要的工程價值和研究意義。