CFRP復合材料電熱特性及力學性能測試與分析

王志平，梁吉勇，張國尚，韓志勇，李 娜（中國民航大學天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津 300300）

CFRP復合材料電熱特性及力學性能測試與分析

王志平，梁吉勇，張國尚，韓志勇，李 娜
（中國民航大學天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津 300300）

采用自主研制的電熱損傷實驗裝置，通過CFRP試樣電流、溫度場的測試，給出了CFRP試樣的電熱溫度與電流強度之間呈線性遞增的關系；通過力學性能的測試，初步揭示了CFRP材料隨電加熱溫度的提高，其拉伸強度呈現(xiàn)“增加—穩(wěn)定—降低”的趨勢；彈性模量及泊松比均呈現(xiàn)“降低—穩(wěn)定—降低”的趨勢。還通過電鍍工藝優(yōu)化和預緊力的精確控制，成功解決了CFRP試樣與電極接觸電阻過大和不穩(wěn)定的難題。電鍍銅處理試樣的接觸電阻可控制在0.39 Ω以下，且具有良好的重復性。

CFRP；電熱損傷；接觸電阻；力學性能

碳纖維樹脂基復合材料（CFRP）性能優(yōu)異[1-3]，已經大量地應用于飛機結構中[4-6]。由于飛機機身結構的法拉第籠作用，CFRP材料構件在飛機運行過程中將不可避免地受到以下3種電場和電流作用[7]：①飛機在運行過程中遭受雷擊導致CFRP材料構件中產生強電流（電流強度為kA級）；②機身表面的靜電荷在CFRP材料構件中的釋放產生電流；③飛機內部的電子設備在CFRP材料構件中產生的感應電流（電流強度為安培級，電流頻率最高達1 kHz）。電流的形成過程會使CFRP材料溫度迅速上升，過高的溫度可能會使復合材料發(fā)生物理、化學甚至微觀結構的變化，從而帶來其機械性能與設計目標的偏離，嚴重時會造成飛機結構的失效，直接威脅飛機的運行安全。

對電流作用下CFRP材料行為的研究，是近40年來航空復合材料領域科學研究的難點和熱點問題。1975年，英國航空研究中心的Phillips[8]等人用模擬方法研究了雷擊強電流對CFRP層壓板機械性能的影響，此后，Burrows[9]等人繼續(xù)使用模擬的方法進行了該條件下CFRP材料特性的研究。2005年，美國華盛頓大學Feraboli[10]等人設計了雷擊損傷實驗系統(tǒng)，用實驗的方法來模擬雷擊時的真實場景，研究了強電流（10～50 kA）對CFRP材料性能和微觀組織的影響。但此種仿真實驗成本昂貴，且與真實場景還存在較大的差距。2009年以來，法國ENSMA大學和美國IOWA大學分別設計了一種新的CFRP電熱損傷實驗方法與裝置，其研究重點由雷擊強電流轉向普通電流（安培級）。應用該實驗方法，Marco[7]等人研究了CFRP材料通過普通電流時其溫度場的分布及相關力學行為。在國內，關于CFRP材料電熱行為的研究及相關實驗方法還未見報道，而中國民航飛機的安全運行及國產商用飛機CFRP結構件的設計，均需該領域相關技術的支持。

本文采用自主研制的電熱損傷實驗裝置，測試分析CFRP材料的電流、溫度場特性，初步揭示CFRP材料通電加熱后拉伸強度、彈性模量及泊松比的演化規(guī)律。本文還將通過工藝優(yōu)化和預緊力的精確控制兩個方面，解決CFRP試樣與電極接觸不可控的難題。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

實驗試件由鋪層方式為[0]10層合板來制備，試件尺寸為200 mm×15 mm×2.2 mm。原材料為美國cytec公司生產的CYCOM 970/PWC T300 3K型碳纖維增強樹脂基預浸料，使用SKD-12-02型熱壓罐固化成型，固化工藝如表1所示。

表1 CFRP固化工藝Tab.1 Curing process of CFRP

1.2 電熱損傷實驗裝置

文獻[7]中所采用的電熱損傷測試裝置只適用于特定尺寸的試件，且試件與通電電極間的接觸壓力無法精確測量與控制，也無法同時采集試件電流、電壓、溫度、應變等反映材料通電特性的參量。因此，本文研制了一種結構簡單，預緊力控制精確，適應多種試件尺寸要求，可同時動態(tài)采集CFRP材料主要通電特性參量的測試系統(tǒng)。圖1所示的是實驗裝置原理圖，試樣夾持機械裝置如圖2所示。

1.3 CFRP試樣接觸電阻優(yōu)化

接觸電阻是指電流通過接觸點時在接觸處產生的電阻。在CFRP試樣電熱作用實驗過程中，如果銅電極與試樣之間的接觸電阻過大或者不可控，該處產生的電阻熱會影響到CFRP試樣的溫度場，將直接影響到實驗結果的真實性、客觀性。因此，本實驗對CFRP試樣進行優(yōu)化處理，要求試樣與銅電極之間的接觸電阻較小，并且具有良好的重復性。

圖1 CFRP電熱損傷測試系統(tǒng)原理圖Fig.1 Design principle of CFRP electroghermal damage mechanism

圖2 試樣夾持機械裝置示意圖Fig.2 Mechanism scheme of sample holding

使用ZY9987型微歐計測量CFRP試樣的接觸電阻，設計了兩種處理方式對試樣的接觸電阻進行優(yōu)化，即對試樣分別進行涂覆導電膠和電鍍銅處理，并與未處理試樣進行對比。

1.4 CFRP試樣電熱特性研究

在自制的CFRP電熱損傷實驗裝置上進行實驗，選擇接觸電阻優(yōu)化處理后的CFRP試樣，對其施加不同強度的電流，每個電流強度測試3個試樣，通電時間為1.5 h，研究電流強度與溫度之間的關系。

1.5 電熱作用后CFRP試樣力學性能的測試

在INSTRON5982型拉伸試驗機上，對不同電流強度電熱作用后的各組CFRP試樣（每組3個）進行拉伸試驗，研究不同電熱溫度對各組試樣抗拉強度、彈性模量及泊松比的影響。

2 CFRP試樣接觸電阻研究

由于裸露試樣的端部與銅板之間接觸狀況的差異性及不可控性，實驗中測定的未處理CFRP試樣的接觸電阻分散性很大，范圍為5～20 Ω。表2為兩種經優(yōu)化處理后的CFRP試樣接觸電阻的測量情況。從表中可以看出，涂覆導電膠試樣及電鍍銅處理試樣的接觸電阻分別為0.584 Ω和0.362 Ω，與未處理試樣相比，兩者的接觸電阻均顯著降低，并且電鍍銅試樣比涂覆導電膠試樣的接觸電阻下降了38%。

表2 不同處理方式CFRP試樣接觸電阻統(tǒng)計表Tab.2 Contact resistance of CFRP samples by different treatments

圖3為兩種優(yōu)化處理CFRP試樣接觸電阻的折線圖。從圖中可以看出，涂覆導電膠試樣的接觸電阻仍有一定的分散性，而經電鍍銅處理后的5個試樣的接觸電阻值在0.32～0.39 Ω之間，波動較小，具有良好的重復性。

圖3 不同處理方式CFRP試樣接觸電阻折線圖Fig.3 Graph of CFRP samples interfacial contact resistance by different treatments

實驗結果說明，電鍍銅處理對CEFP試樣接觸電阻的改善效果最佳，因此，本研究后續(xù)實驗中的CFRP試樣均使用電鍍銅的方式進行處理。

3 CFRP電熱特性的測試

電流強度對CFRP試樣電熱溫度影響的測試結果如表3所示。從表中可以看出，當電流強度由4.8 A逐步增加至11.6 A時，試樣的表面溫度由92.3℃逐漸增加至298.3℃。

圖4為電熱溫度（取平均值）隨著電流強度的變化關系圖，從圖中可以看出，在4.8～11.6 A電流強度范圍內，CFRP試樣的電熱溫度與電流強度之間基本呈線性關系。

表3 不同電流強度下CFRP試樣電熱溫度統(tǒng)計表Tab.3 Statistical table of CFRP samples electroghermal temperature under different currents

圖4 CFRP試樣電流強度與電熱溫度關系圖Fig.4 Corelation between current and electroghermal temperature of CFRP samples

4 電熱作用對CFRP力學性能的影響

在不同電熱溫度下，各組試樣對應的抗拉強度、彈性模量及泊松比統(tǒng)計情況如表4所示（表中數(shù)據均為3個試樣的平均值）。

表4 不同電熱溫度下CFRP試樣力學性能統(tǒng)計表Tab.4 Mechanical properties of CFRP samples under different electroghermal temperature

圖5為不同電熱溫度下試樣對應的抗拉強度變化關系圖。從圖中可以看出，隨著電熱溫度的增加，CFRP試樣抗拉強度的變化大致呈現(xiàn)出“增加—穩(wěn)定—降低”的趨勢。當電熱溫度小于162.3℃時，試樣的抗拉強度從644.3MPa增加至753.49MPa；在162.3～220℃電熱溫度區(qū)間內，試樣的抗拉強度保持在750 MPa左右的穩(wěn)定水平；當溫度超過220℃時，試樣的抗拉強度從779.62 MPa逐漸降低至642.6 MPa。

圖5 CFRP試樣電熱溫度與抗拉強度關系圖Fig.5 Correlation between electroghermal temperature and tensile strength

圖6為不同電熱溫度下試樣對應的彈性模量變化關系圖。從圖中可以看出，隨著電熱溫度的增加，CFRP試樣彈性模量的變化大致呈現(xiàn)出“降低—穩(wěn)定—降低”趨勢。當電熱溫度小于162.3℃時，試樣的彈性模量從56.99 MPa降低至52.92 MPa；在179.3～258.3℃電熱溫度區(qū)間內，試樣的彈性模量在55 MPa上下波動；當溫度超過258.3℃時，試樣的彈性模量繼續(xù)下降，從55.63 MPa逐漸降低至49.9 MPa。

圖6 CFRP試樣電熱溫度與彈性模量關系圖Fig.6 Correlation between electroghermal temperature and elastic modulus

圖7為不同電熱溫度下試樣對應的泊松比變化關系圖。從圖中可以看出，隨著電熱溫度的增加，CFRP試樣泊松比的變化大致呈現(xiàn)出“降低—穩(wěn)定—降低”趨勢。當電熱溫度小于142.6℃時，試樣的泊松比從0.05降低至0.03；在142.6～240℃電熱溫度區(qū)間內，試樣的泊松比穩(wěn)定在0.3左右的水平；當溫度超過240℃時，試樣的泊松比繼續(xù)下降，從0.3逐漸降低至0.1。

圖7 CFRP試樣電熱溫度與泊松比關系圖Fig.7 Correlation between electroghermal temperature and Poisson ratio

5 結語

1）未處理的CFRP試樣的接觸電阻較大且有很大的分散性，范圍為5～20 Ω。涂覆導電膠試樣和電鍍銅試樣的接觸電阻分別為0.584 Ω和0.362 Ω。涂覆導電膠試樣的接觸電阻仍有一定的分散性，電鍍銅試樣的接觸電阻值在0.32～0.39 Ω之間，波動較小，具有良好的重復性；

2）在4.8～11.6 A電流強度范圍內，CFRP試樣的電熱溫度與電流強度之間基本呈線性遞增關系；

3）電熱作用對CFRP試樣的抗拉強度、彈性模量及泊松比均有不同程度的影響。隨著電熱溫度的增加，試樣的抗拉強度呈現(xiàn)“增加-穩(wěn)定-降低”趨勢；試樣的彈性模量和泊松比均呈現(xiàn)“降低-穩(wěn)定-降低”的趨勢。

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（責任編輯：楊媛媛）

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Test and analysis of electroghermal behaviour and mechanical properties on carbon fiber reinforced polymer composite materials

WANG Zhi-ping，LIANG Ji-yong，ZHANG Guo-shang，HAN Zhi-yong，LI Na
（Tianjin Key Laboratory for Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance，CAUC，Tianjin 300300，China）

The self-devised electroghermal damage test device was employed to test the current and thermal field of CFRP samples.Then,the relationship between electroghermal temperature and current intensity was gained, which is liner relationship and the temperature increases with the increase of current intensity.The tests of the mechanical properties of CFRP samples initially reveal that with the increase of electroghermal temperature, the tensile strength of CFRP samples increases first then turns stable and at last decreases,and,the Poisson′s ratio of the CFRP samples decreases first then stable and lastly decrease.In addition,the unstable and excessive contact resistance between CFRP samples and electrode was successively solved through optimization of copper electroplating process and the precise control of pretightening force.The contact resistance can be controlled below 0.39Ω and it has a good repeatability.

CFRP；electroghermal damage；contact resistance；mechanical properties

TB332

A

1674－5590（2013）01－0063－04

2012-11-12；

2012-11-30

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項（ZXH2012J002）

王志平（1963—），男，遼寧朝陽人，教授，博士，研究方向為航空材料加工與測試.