电热作用对碳纤维增强树脂基复合材料层板冲击性能的影响.pdf

doi:10.16865/ki.1000-7555.2023.0127收稿日期：2022-06-29基金项目：天津市教委科研计划（2021KJ051）通讯联系人：路鹏程，主要从事复合材料失效分析研究，E-mail：高分子材料科学与工程POLYMER MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING第39卷第6期2023年6月Vol.39,No.6Jun.2023复合材料具有高比强度、高比模量，优异的抗疲劳、耐腐蚀性及可设计性等，被广泛应用于航空航天、汽车工业、航海、建筑和体育用品等领域1,2，特别是在航空器上，复合材料的应用越来越广，用量越来越多，如波音787、空客A350等大型客机的机身、机翼、发动机机匣、风扇叶片等承力结构都采用复合材料制造，全复合材料“经济型”飞机已实现环球飞行3。随着先进复合材料的发展和日益广泛的应用，其服役性能演化问题的研究已引起人们的普遍重视，国内外相关机构及学者对复合材料的人工气候老化4、湿热老化5、紫外老化6和机械损伤7等做了大量研究，这方面工作也取得了不少进展。然而，民航客机在服役中复合材料结构还会受到雷击远端电流泄放、静电积累放电和机电设备感应电流等小电流(安培级)的作用8，导致复合材料结构损伤，从而缩短其服役的可靠性和寿命。CFRP特有的材料和结构特性，其电热作用机制和评估近年来才受到关注，因此CFRP电热作用基础理论和实验数据缺乏，被涵盖在不确定因素中，使得碳纤维 增 强 树 脂 基 复 合 材 料(Carbon fiber reinforcedpolymer,CFRP)结构设计安全系数过大，性能优势不能充分发挥。已有研究结果表明，在安培级小电流作用下，CFRP层板表面温度在较短的时间内会快速升高，使CFRP的静力学性能受到影响9。研究发现，当CFRP结构的使用温度接近树脂基体的玻璃化转变温度(Tg)时，会引起树脂基体的质量损失、玻璃化转变温度和化学结构的变化，以及微裂纹和纤维/基体界面的脱粘，这些被认为是导致拉伸、压缩和弯曲等力学性能降低的原因10,11。但是，目前关于电热作用对CFRP的性能影响规律并不明确。Zhupanska等12发现，CFRP在小电流作用下，其弯曲强度有所提高，他们将其归因 于 热 老 化 过 程 中 树 脂 的 后 固 化。另 一 方 面，Deierling等13对CFRP进行了小电流电热作用研究，由于电热作用过程中纤维作为热源，热量由内向外扩散，纤维与树脂的界面处温度最高，且界面性能相对较弱，引起纤维/基体界面损伤，最终产生微裂纹，导致性能恶化。造成这些不一致结论的主要原因是CFRP电热作用是复杂的，且与CFRP的特性以及大气、温度http:/电热作用对碳纤维增强树脂基复合材料层板冲击性能的影响路鹏程，卞文熙，安俊龙，祖浩轩（中国民航大学 航空工程学院 天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津 300300）摘要：针对航空结构用碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层板结构在低电流(安培级)作用下对其冲击性能和吸能特性的影响进行研究。结果表明，电热作用使得CFRP层板的温度迅速升高，随着电流强度增加，电热作用产生的焦耳热显著增加；同时，CFRP层板的电阻率随电流强度增大而降低，呈现出温敏效应。在相同冲击能量下，随着加载电流强度增加，CFRP层板的冲击响应完全不同，临界损伤冲击应力和最大冲击应力随加载电流强度增大而减小，且下降幅度随之增大；随着加载电流强度增加，CFRP层板对冲击能量吸收显著增加。冲击损伤分析可知，在相同冲击能量下，CFRP层板的冲击损伤面积随着电流强度增加而增大，损伤程度越严重，失效机制由基体裂纹、微小分层转变为大量纤维断裂、基体破碎等，即冲击损伤模式由微弱的冲击损伤转变为可见的冲击损伤；冲击凹坑深度也随着电流强度增加而显著加深，冲击凹坑回弹率也显著降低。关键词：碳纤维增强树脂基复合材料；电热作用；温度场；低速冲击；损伤分析中图分类号：TQ327.3文献标识码：A文章编号：1000-7555（2023）06-0085-07高分子材料科学与工程2023年路鹏程等：电热作用对碳纤维增强树脂基复合材料层板冲击性能的影响第6期和时间等条件有关。除了静态或准静态力学性能外，航空结构的抗低速冲击性能更受关注。为了较为系统地研究电热作用对CFRP层板冲击性能和吸能特性的影响，本文采用实验对CFRP层板在不同电流强度作用下的低速冲击行为与损伤进行研究，分析不同电流强度作用下的CFRP层板的低速冲击响应和损伤机制的变化。Fig.1 Sample size1实验部分1.1实验原料本实验选用航空结构用T300聚丙烯腈基碳纤维平纹织物，束丝为3K，单丝直径为7 m，基体材料为满足 BMS8-301 的航空结构用环氧树脂 A/B 双组分(A，B组分的混合质量比为100:40)；纤维平纹织物由日本东丽(TORAY)公司制造；环氧树脂由德国汉高(Henkel)公司提供。采用热压罐进行模压成型制备CFRP 层板，铺层结构为(0,90)8，纤维体积分数为56%。实验件的切割采用400粒度的金刚石锯刀并用充足的冷却液冷却，以去掉切割的碎屑。进刀的表面速度为245 m/min。采用精确的托架固定试板的切口边缘平行于刀的切割方向。试样尺寸如Fig.1所示。1.2电热实验采用中国民航大学研制的CMET-300型复合材料电热实验机对CFRP进行通电实验。为了减少试样与铜电极之间的接触电阻，CFRP层板试样两端进行喷砂粗化，并采用火焰喷涂系统(SULZER METCO 6C)制备均匀厚度的铝导电层(厚度约20 m)，实验设备、工作原理及试样导电层如Fig.2所示。对试样加载(0A，5 A，10 A，15 A，20 A)12 h直流电流。在通电过程中CFRP层板试样的中心表面温度采用非接触式高精度OMEGA OS136红外线温度传感器进行实时测量，精度为0.01，每组试样为6个。1.3冲击实验依据ASTM D7136-2015标准对CFRP层板进行冲击性能测试。实验采用 INSTRON CEAST 9350 落锤冲击实验机对不同电流强度处理的CFRP层板试样进Fig.2 Composite electro-thermal experimental equipment,principle diagram and conductive layer(a):composite electro-thermal action experimental machine;(b):principle of composite electro-thermal experimentalmachine;(c):CFRP sample and conductive layer86高分子材料科学与工程2023年路鹏程等：电热作用对碳纤维增强树脂基复合材料层板冲击性能的影响第6期行低速冲击实验，如Fig.3所示。冲头形状为直径16mm的钢制半球形，质量为4.062 kg。本实验选用8J的冲击能量。冲击实验机具有冲头捕捉防二次冲击功能，软件可进行数据采集。测试环境为室温(253)，湿度为(505)%。Fig.3 CEAST9350 drop weight impact testing machine1.4冲击损伤分析采用渗透无损检测技术，对冲击后试样进行损伤检测，标记损伤区域大小。之后对冲击后试样从中线处沿0方向切开，采用OLYMPUS OLS4100激光共聚焦显微镜对CFRP层板试样冲击表面、背面及截面损伤形式进行观测；同时，采用Quanta FEG250型扫描电子显微镜对冲击损伤断裂处进行观察和分析，由于CFRP导电性较差，因此CFRP冲击断口试样需要放置在离子溅射仪中进行喷金，表面形成金膜后移至扫描电子显微镜样品室，加速电压为10 kV。Fig.4 Variation of steady-state temperature of sample surface withtime2结果与讨论2.1电热特性分析对CFRP试样加载不同强度直流电流，试样中间表面温度随时间变化如Fig.4所示。由图可见，试样表面温度变化在加载电流之后迅速增加，随着时间延长，温度上升速率逐渐减小，最后趋于平稳，整个过程中试样表面温度分布均匀。此外，加载不同强度电流的CFRP层板试样表面温度均表现出先升高后稳定的规律，并且加载电流越大试样表面温度上升越快，平衡温度也越高。当加载电流为20 A时，CFRP层板表面温度为150.11，超过了树脂基体的玻璃化转变温度(Tg)95。Fig.5为CFRP层板试样在电热测试过程中电阻与夹持应力的变化。由Fig.5可知，CFRP层合板随着加载电流强度增加，层板的表面温度升高，试样与电极间的加持应力也随着增大，其电阻率下降，呈现出负温度系数(NTC)效应14。这是由于电热作用产生焦耳热使CFRP层板试样温度升高而膨胀，增加了试样两端与铜电极的紧密程度，提高了其导电性，同时使得加持应力增大；其次，CFRP在通电过程中，电荷只能在碳纤维丝束中移动，导致碳纤维内部温度高于试样表面温度，此时碳纤维内部中电子吸收了大量能量之后成为载流子，载流子在碳纤维内部迁移而增强了碳纤维的导电性，使试样的导电率下降15。并且通过电流越大，载流子越多且迁移速率越快，电阻率下降也越快。Fig.5 Voltage-current-clamping stress curves of CFRP laminateunder electro-thermal action2.2冲击性能在冲击试件中，可以对冲击能量进行转化的力学响应主要有变形、损伤等行为。在低速冲击过程中，CFRP层板的变形是将冲击能量转换为弹性比能，而损伤吸能则是以基体和纤维损伤的形式将冲击能量吸收和转化16，因此，对经过不同强度电流处理的CFRP层板在相同冲击能量下进行冲击性能测试，电热作用对CFRP层板的影响会在冲击能量的转化与吸收中获得体现。Fig.6为对不同电流强度处理的CFRP层板冲击测试时间-载荷曲线。首先，从图中可以看出，在相同冲击能量下，经过不同电流强度处理的CFRP层板表现出完全不同的冲击响应。在冲击载荷随时间延长过87高分子材料科学与工程2023年路鹏程等：电热作用对碳纤维增强树脂基复合材料层板冲击性能的影响第6期程中都出现第1次明显下降，然后再次增加到最大值，之后为缓慢下降的过程。He等17研究表明，第1次载荷下降对应于CFRP层板破坏的开始，即为临界损伤接触应力。其次，随着电流强度增加，CFRP层板冲击的临界损伤接触应力值随之减小，且出现的时间也随之缩短，表明层板的弹性变形吸收能达到了极限值，CFRP层板内部出现一定程度的损伤，此时主要为基体开裂和分层损伤(如Fig.9所示)；最后，随着冲击作用时间延长，出现最大冲击应力，CFRP层板的最大冲击应力也随着电流强度增加而显著降低；这是由于层板内部出现较大程度的损伤，可观察到CFRP层板表面局部压痕(包括基体断裂和纤维翘曲)、纤维断裂和底部劈裂(如 Fig.8 所示)，大部分冲击能量是因为CFRP层板形成了不可逆损伤而耗散。说明随着电流强度增加，电热作用产生的焦耳热增加，当产生的焦耳热较低时(电流强度为5 A时)，会使CFRP层板的脆性和强度增加，表现为冲临界接触应力值比完好试样的小且出现时间稍早，但是冲击最大应力比完好试样高；这是由于电热作用产生较少的焦耳热时，使得CFRP层板树脂二次固化，增加了树脂的交联密度，均匀化内应力等作用的结果。当电热作用产生的焦耳热较多时(电流强度大于等于10 A时)，使CFRP层板的脆性增加的同时，还会导致树脂基体及纤维-树脂界面的分子链断裂，界面损伤、树脂收缩和失重等损伤，表现为宏观的临界接触应力和最大冲击应力比完好试样的均显著降低。原始和经过不同电流强度处理 CFRP 试样在 8 J冲击能量下的冲击能量吸收如 Fig.7 所示。加载 5 A电流作用和完好 CFRP 试样的冲击能量吸收几乎相同；当电流强度增大到10 A，15 A和20 A时，CFRP