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基于介电性能研究3240环氧板复合材料单向板电热作用机制

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3240环氧板复合材料因普遍具有高比强度、高比模量、可设计性能优异等特点, 而被航空制造业大量使用。然而航空复合材料结构在整个服役过程中将受到老化、雷击、外来物撞击等引起的各类损伤, 关于这些传统损伤的检测及修补技术已趋于成熟, 但是有一类损伤形
式却是3240环氧板复合材料(CF/EP)所特有的, 并长期被忽视的—低强度电流引起的电热损伤。CF/EP通常以碳纤维为增强相, 树脂为基体。碳纤维的导电导热性能较好, 树脂基体的导电导热性能远低于碳纤维, 当机载电子设备以及机体表面静电荷积累产生的安培级电流[1]流经CF/EP时, 因碳纤维导电产生的大量焦耳热将无法迅速导走而引起局部高温, 使CF/EP产生损伤。针对低强度电流引起的CF/EP性能恶化问题, SIERAKOWSKI等[2]首先展开了研究, 他们发现短时通电会提升抗冲击性能, 但长时通电后所形成的更大的温度梯度会抵消短时通电的正面影响。GIGLIOTTI等[3]研究了CF/EP层合板分别在低强度直流/交流电流作用下的电力疲劳行为。蔺越国等[4]研究了电-热耦合对不同铺层的CF/EP层合板拉伸及疲劳性能的影响, 建立了损伤的电阻模型。但上述研究的不足在于未对电热本身对CF/EP产生的损伤以及损伤机理进行研究。

在研究3240环氧板电热对碳纤维复丝拉伸性能的影响时首先揭示了电热本身对纤维、基体以及界面的作用机理, 本文将在此基础上继续研究CF/EP层板的电热作用机制。众所周知, CF/EP内部存在一定的导电网络, 当材料内部出现损伤时, 导电网络会随之改变, 这种变化可通过电学测试得到放大, 即所谓的“自检”。如SCHULTE等[6]采用直流(DC)法和交流(AC)法对拉伸过程中的CF/EP层板进行原位的损伤监测WANG等[7]提出DC电阻自检法研究了CF/EP层板的冲击损伤, 发现电阻会随着冲击损伤的出现而不可逆上升。RAIHAN等[8]采用AC法对复合材料层板的拉伸损伤进行了研究, 发现材料性能恶化与其介电性能变化之间存在对应关系。由于CF/EP本身就是电介质, 而介电分析可阐明电介质内部微观成分、结构(分子、偶极子以及界面等)和极化机制之间相互作用规律, 更能考察材料内部微观结构和宏观介电性能的联系。因此, 本文对CF/EP层板的电热作用机理的研究主要基于介电分析, 通过温度场、体积电阻、介电性能以及三点弯曲力学性能之间相互验证, 确定了电热作用特征参量, 建立损伤微观机理与宏观失效机制之间的联系, 为发展CF/EP电热损伤的无损检测技术打下了理论和实践基础。

采用热压罐工艺制备了CF/EP单向板, 其中碳纤维的质量比为77wt%(其他量为100)。铺层方式为[0]8, 固化流程:以1 ℃·min-1的
升温速率升温至95 ℃, 保温240 min, 保持压力0.34 MPa;然后以3 ℃·min-1的速率降至52 ℃, 卸压至常压。试样尺寸为85 mm
×20 mm×2 mm。最后, 为便于后面进行介电性能测试, 采取丝网印刷的方法在试样正反两面分别印以直径为10 mm和直径为15mm 的3个等间距圆形电极, 如图1所示。可知, 电极材料为导电银胶, 低温烘干2 h以后再用导电银胶将电极与等长度铜导线连接, 再次低温烘干处理。

为电热作用实验的3240环氧板复合材料电热试验机。取厚度均匀的试样8个, 采用该试验机对试样两端通以直流电, 电热作用参数所示。为减少试样与夹持端的接触电阻, 一方面采取火焰喷涂的方式对试样两端喷铝处理先经过喷砂处理去除表层树脂, 使纤维露头, , 另一方面在通电时对试样两端施以适当的预紧力。电热作用过程中, 通过3个红外探头对试样表面的左、中、右三个等间距圆形区域的温度进行监测, 提取温度场参数。为CF/EP试样8左、中、右三个圆形区域随通电时间变化的温度场分布。首先, 以看到每种电流强度的电热作用下, 试样表面三个区域的温度场随通电时间均呈现先瞬态迅速上升后稳态平衡的趋势, 这与电-热耦合作用下CF/EP表面的温度场变化规律基本一致, 这主要因为CF/EP产生的焦耳热通过环境热对流以及热辐射散发需要一定的时间。其次, 当以小于等于5 A(电流密度为0.125 A·mm-2)的电热作用时, 试样三个区域的温度场呈现左右两边高、中间低的趋势, 但三者的温差较小;当以大于5 A的电热作用时, 试样三个区域的温度场则呈现中间高、两边低的趋势, 且三者的温差较大。造成这种现象的原因是:小于等于5 A 电热作用时, 试样两端与夹持端仍存在较小的接触电阻, 所以两边的温度场受其影响而略高于中间区域;而6 A作用时, 试样内部短时间内产生大量焦耳热而发生膨胀, 致使试样两端与夹持端接触紧密[10], 接触电阻几乎消除, 所以三个区域的温度场大致相同;大于6 A作用时, 试样发热膨胀的程度更大, 两端的夹持力加大, 试样受其反作用力而被压缩变形, 导致内部纤维的弯曲程度加大, 纤维与纤维之间的接触点数目改变, 最终使CF/EP内部的导电网络在中间区域呈现更多的电阻成分, 所以中间区域的温度场要高于两边区域。此外, 由于每进行下一次电热作用时, 都会等上一次电热作用及相关测试结束, 因此电热作用对试样内部结构以及表面的温度场影响应该是不可逆的。

2020年6月18日
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