CFRP層合板電熱損傷溫度場(chǎng)及性能研究

王志平，姚佳偉，張國(guó)尚，李 娜

（中國(guó)民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300）

CFRP層合板電熱損傷溫度場(chǎng)及性能研究

王志平，姚佳偉，張國(guó)尚，李 娜

（中國(guó)民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300）

采用ABAQUS有限元軟件建立了CFRP層合板的勻質(zhì)實(shí)體模型和纖維束-樹脂模型，利用熱-電耦合模塊，分別計(jì)算了多種電流制度下穩(wěn)態(tài)表面溫度場(chǎng)和內(nèi)部溫度梯度，仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果吻合較好；通過(guò)CFRP層合板試樣拉伸強(qiáng)度的測(cè)試、斷面微觀形貌的分析以及DSC熱分析，研究了電熱損傷對(duì)CFRP力學(xué)性能和耐熱性的影響，研究結(jié)果表明：電熱損傷對(duì)試樣的力學(xué)性能和耐熱性均有較大影響；隨著電熱溫度的提高，CFRP層合板試樣的拉伸強(qiáng)度及耐熱性均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

CFRP；電熱損傷；溫度場(chǎng)；拉伸強(qiáng)度；耐熱性

隨著碳纖維樹脂基復(fù)合材料（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）在航空領(lǐng)域的廣泛使用[1]，在航空器材運(yùn)行過(guò)程中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)將不可避免地暴露在多種環(huán)境條件下。目前，國(guó)內(nèi)外的大量研究已涉及復(fù)合材料人工氣候老化、濕熱老化、熱氧老化、人工加速老化和自然老化等[2-3]，而電熱損傷引起的材料劣化研究還處于起步階段。

飛機(jī)在飛行過(guò)程中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)經(jīng)常會(huì)暴露在電磁場(chǎng)中，電磁場(chǎng)一般來(lái)源于以下3類[4]：

1）雷電天氣：飛機(jī)在服役過(guò)程中會(huì)受到雷擊，在雷擊點(diǎn)及附近區(qū)域電流達(dá)到幾千安培，而在遠(yuǎn)端結(jié)構(gòu)中電流可降至安培級(jí)，作用時(shí)間較短（秒級(jí)）。

2）飛機(jī)內(nèi)部安裝的電子設(shè)備引起的電流：電流相對(duì)較?。ò才嗉?jí)），發(fā)生于整個(gè)飛機(jī)服役過(guò)程中，累計(jì)作用時(shí)間長(zhǎng)。

3）機(jī)體表面靜電積累導(dǎo)致的電流：飛機(jī)在飛行過(guò)程中與空氣、微塵等摩擦，在表面產(chǎn)生電荷積累，當(dāng)電荷積累到一定程度會(huì)產(chǎn)生電暈放電。

2010年，法國(guó)ENSMA大學(xué)的研究人員Macro等人利用有限元模擬和實(shí)驗(yàn)兩種方法研究了CFRP復(fù)合材料T300/914[（0/90）4]s在恒定直流電流（最高為8 A）下的電熱行為，研究結(jié)果表明：當(dāng)試樣通有8 A直流電流時(shí)，試樣表面中心位置的穩(wěn)態(tài)溫度約為205℃，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好[5]。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室Telitchev和Sierakowski對(duì)CFRP復(fù)合材料在恒定直流電流（25 A和50 A）下的性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)電流強(qiáng)度對(duì)材料通電后抗沖擊性能的影響有一定的規(guī)律性[6]。

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)CFRP復(fù)合材料電熱損傷問(wèn)題的研究處于剛剛起步階段。電流與溫度場(chǎng)的關(guān)系和溫度場(chǎng)與材料性能的關(guān)系是CFRP電熱損傷研究最基礎(chǔ)同時(shí)也是必須要解決的兩個(gè)重要問(wèn)題。因此本文采用仿真計(jì)算和實(shí)際測(cè)量?jī)煞N方法研究CFRP電熱損傷過(guò)程中溫度場(chǎng)問(wèn)題；通過(guò)實(shí)驗(yàn)與分析手段初步揭示CFRP電熱損傷后的性能變化規(guī)律及作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 試樣材料

試件材料選用了美國(guó) CYTEC公司生產(chǎn)的YCOM970/PWC T300 3K型碳纖維增強(qiáng)樹脂基預(yù)浸料。試件尺寸為200 mm×15 mm×2.2 mm。

1.2 CFRP試樣溫度場(chǎng)的仿真計(jì)算

使用ABAQUS軟件建立模型，在熱電耦合模塊下，對(duì)試樣在多種電流制度下（2 A，4 A，6 A，8 A）通電過(guò)程中表面溫度場(chǎng)及內(nèi)部溫度梯度進(jìn)行計(jì)算。

1.3 CFRP試樣溫度場(chǎng)的測(cè)試

使用電熱載荷實(shí)驗(yàn)環(huán)境與測(cè)試平臺(tái)測(cè)試CFRP試樣同等電流制度下（2 A，4 A，6 A，8 A）的表面溫度分布，通電時(shí)間為1 000 s。

1.4 CFRP試樣拉伸性能的測(cè)試

使用INSTRON5982型萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)，分別對(duì)未處理試樣、6.2 A×8 h（表面穩(wěn)態(tài)溫度150℃）和9.3 A×8 h（表面穩(wěn)態(tài)溫度250℃）處理后的3組試樣（每組3個(gè)）進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，取每組數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行對(duì)比。并且利用1530VP型掃描電子顯微鏡對(duì)3類試樣的纖維斷裂微觀形貌進(jìn)行對(duì)比分析，初步探索拉伸性能變化的機(jī)理。

1.5 CFRP試樣DSC測(cè)試

利用DSC822e型差示掃描量熱分析儀，對(duì)試樣耐熱性進(jìn)行研究，溫度范圍為25～600℃，升溫速度為10℃/min，氮?dú)獗Ｗo(hù)。

2 CFRP層合板溫度場(chǎng)的計(jì)算

2.1 CFRP層合板表面溫度場(chǎng)的計(jì)算

為了獲得CFRP層合板表面溫度場(chǎng)，建立層合板的勻質(zhì)實(shí)體模型，計(jì)算表面溫度分布。

2.1.1 CFRP層合板參數(shù)的等效原則

由層合板各組分（樹脂和纖維）參數(shù)推導(dǎo)層合板勻質(zhì)實(shí)體模型參數(shù)的等效原則如下：

1）密度：CFRP層合板的總質(zhì)量是樹脂與纖維質(zhì)量之和，因此層合板密度推導(dǎo)為

其中：ρ為密度；v為體積；V為體積分?jǐn)?shù)；下標(biāo)t、f、m分別代表層合板、纖維和樹脂（下同）。

2）電導(dǎo)率：CFRP層合板內(nèi)部，纖維與樹脂在結(jié)構(gòu)上可以等效于并聯(lián)關(guān)系，因此層合板電導(dǎo)率推導(dǎo)為

其中：κ為電導(dǎo)率。

并在CFRP試件表面溫度的測(cè)試中，獲得電阻隨溫度變化呈線性降低趨勢(shì)[7-8]，如圖1所示。

圖1 電阻隨溫度變化曲線圖Fig.1 Correlation between temperature and electric resistance

3）比熱：溫度變化時(shí)，CFRP層合板吸收或放出的能量是纖維和樹脂吸收或放出的能量之和，因此層合板比熱推導(dǎo)為

其中：λ11為纖維方向的等效導(dǎo)熱系數(shù)。

垂直于纖維方向的等效導(dǎo)熱系數(shù)為

其中：c為比熱。

4）熱傳導(dǎo)系數(shù)：CFRP層合板熱傳導(dǎo)系數(shù)是物理參數(shù)中較難獲得的[9-10]。對(duì)于單向復(fù)合材料，纖維方向的等效導(dǎo)熱系數(shù)為

其中：λ22、λ33為垂直于纖維方向的等效導(dǎo)熱系數(shù)。

以上公式只適用于單向鋪層復(fù)合材料。圖2為0°和90°兩層的簡(jiǎn)略模型。

該模型下，在X方向熱傳導(dǎo)系數(shù)推導(dǎo)為

其中：Q為熱量；q為單位面積熱量；T為溫度；x為坐標(biāo)軸；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；下標(biāo)0、90分別代表不同鋪層。

Y方向同X方向，Z方向沒有變化。

2.1.2 CFRP層合板的勻質(zhì)實(shí)體模型

利用ABQUS有限元軟件建立CFRP層合板勻質(zhì)實(shí)體模型。實(shí)驗(yàn)所用試件組分（60%碳纖維和40%環(huán)氧樹脂）物理參數(shù)如表1所示。根據(jù)各項(xiàng)等效原則，勻質(zhì)實(shí)體物理參數(shù)值如表2和表3所示。對(duì)試件分別施加2 A，4 A，6 A，8 A電流。仿真計(jì)算結(jié)果溫度場(chǎng)云圖基本相同。試樣表面穩(wěn)態(tài)溫度如表4所示。電流8A時(shí)，試樣溫度場(chǎng)如圖3所示。

表1 組分電熱物理參數(shù)值Tab.1 Properties of carbon fiber and epoxy resin

表2 勻質(zhì)實(shí)體電熱物理參數(shù)值Tab.2 Properties of homogeneous solid model of CFRP

表3 電導(dǎo)率隨溫度變化Tab.3 Correlation between temperature and electric conductivity

表4 勻質(zhì)實(shí)體模型在不同電流制度下試樣表面穩(wěn)態(tài)溫度的模擬結(jié)果Tab.4 Simulated steady-state temperature of surface under different currents of homogeneous solid model

圖3 勻質(zhì)實(shí)體模型溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果（I=8 A）Fig.3 Simulated results of temperature field of homogeneous solid model

2.2 CFRP層合板內(nèi)部溫度梯度的計(jì)算

為了獲得CFRP層合板內(nèi)部溫度梯度分布，建立纖維束-樹脂模型。

層合板成型過(guò)程中會(huì)將纖維束圓形截面擠壓成橢圓形。根據(jù)層合板厚度方向上的對(duì)稱性，模型高度1.1 mm，如圖4所示。碳纖維與環(huán)氧樹脂各參數(shù)如表1所示。在施加電流載荷時(shí)，電流密度與勻質(zhì)實(shí)體模型施加的電流密度不同。截面中，碳纖維所占面積為60%，該模型中的電流密度為勻質(zhì)實(shí)體模型電流密度的167%。

圖4 纖維束-樹脂模型Fig.4 Fiber-matrix model

表5為以上模型計(jì)算所得的表面穩(wěn)態(tài)溫度。圖5所示為8 A時(shí)溫度場(chǎng)，可清楚地看到內(nèi)外溫度梯度。當(dāng)電流強(qiáng)度達(dá)到8 A時(shí)，內(nèi)外溫度差約為5℃。由于所選試件厚度僅為2 mm，散熱面積相對(duì)于厚度較大，內(nèi)外溫差較小。

表5 纖維束-樹脂模型在不同電流制度下試樣表面穩(wěn)態(tài)溫度的模擬結(jié)果Tab.5 Simulated steady-state temperature of surface under different currents of fiber-matrix model

圖5 纖維束-樹脂模型的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果（I=8 A）Fig.5 Simulated results of temperature field of fiber-matrix model

3 CFRP層合板表面溫度的測(cè)試

不同電流制度下，CFRP層合板表面溫度測(cè)試結(jié)果如表6所示，從表6可以看出，CFRP層合板的表面穩(wěn)態(tài)溫度隨著電流強(qiáng)度的增大而增大。

表6 試件在不同電流制度下表面穩(wěn)態(tài)溫度測(cè)試結(jié)果Tab.6 Measured steady-state temperature of surface under different currents of specimen

圖6為勻質(zhì)實(shí)體模型計(jì)算的表面溫度與實(shí)際測(cè)試的表面溫度隨時(shí)間變化規(guī)律的對(duì)比?？煽闯觯€(wěn)態(tài)時(shí)表面溫度吻合較好，但計(jì)算結(jié)果的升溫速率略小于測(cè)試的升溫速率。由于碳纖維均勻分布在試樣內(nèi)部和表面，接近表面的碳纖維通電產(chǎn)熱，向表面?zhèn)鲗?dǎo)熱量較快，且同等電流強(qiáng)度下，碳纖維承載的電流密度大于勻質(zhì)實(shí)體模型的電流密度，故表面溫度升高較快。

圖6 I=8 A時(shí)測(cè)試與模擬對(duì)比Fig.6 Comparison between measured and simulated results

由表4、表5與表6的對(duì)比可以看出，CFRP層合板勻質(zhì)實(shí)體等效模型和纖維束-樹脂模型計(jì)算的表面穩(wěn)態(tài)溫度與實(shí)際測(cè)試結(jié)果基本吻合，表明各向異性的CFRP層合板在計(jì)算其電熱表面溫度時(shí)，等效勻質(zhì)化的模型可行；并且以束為纖維計(jì)數(shù)單位的纖維束-樹脂模型可用來(lái)推測(cè)通電過(guò)程中CFRP層合板內(nèi)部溫度梯度的分布。

4 電熱損傷對(duì)CFRP層合板性能影響

4.1 電熱損傷對(duì)拉伸性能的影響

拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。從表7可以看出，隨著電流強(qiáng)度的增大，表面穩(wěn)態(tài)溫度升高，試樣拉伸強(qiáng)度呈遞減趨勢(shì)。在8 h持續(xù)高溫下，電熱損傷作用超過(guò)了后固化作用，使試樣拉伸強(qiáng)度降低。

表7 不同電熱損傷下拉伸強(qiáng)度Tab.7 Tensile strength under different conditions

4.2 電熱損傷對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度的影響

3類試樣拉伸斷面的纖維微觀形貌如圖7～圖9所示。

圖7 未處理試樣纖維斷裂的微觀形貌Fig.7 Microscopic fracture morphology of fiber without electricthermal damage

圖8 6.2 A×8 h處理試樣纖維斷裂的微觀形貌Fig.8 Microscopic fracture morphology of fiber under 6.2 A×8 h

圖9 9.3 A×8 h處理試樣纖維斷裂的微觀形貌Fig.9 Microscopic fracture morphology of fiber under 9.3 A×8 h

從圖7～圖9對(duì)比中可發(fā)現(xiàn)，未處理試樣的纖維表面被樹脂層包覆，沒有纖維本體露出，纖維和樹脂的界面依然完好，在纖維的斷裂過(guò)程中，樹脂沒有脫粘；6.2 A×8 h處理試樣纖維側(cè)面有部分表面露出，表明由于電熱損傷作用，導(dǎo)致界面處纖維與樹脂粘連強(qiáng)度降低，在拉伸斷裂過(guò)程中，樹脂脫粘，露出了纖維表面；9.3 A×8 h處理試樣纖維表面大面積露出，纖維與纖維之間已無(wú)樹脂連結(jié)，樹脂與纖維的結(jié)合強(qiáng)度大大減弱，界面已經(jīng)失去了其傳遞應(yīng)力的作用。

4.3 電熱損傷對(duì)CFRP熱性能的影響

圖10中3條曲線分別為不同電熱損傷（未處理試樣、6.2 A×8 h、9.3 A×8 h）后試樣的DSC曲線。從圖10可以看出，經(jīng)過(guò)電熱損傷的兩個(gè)試樣（6.2 A×8 h、9.3 A×8 h）在126～208℃均出現(xiàn)一個(gè)很小的吸熱峰，說(shuō)明樹脂出現(xiàn)變化；在350～400℃，3類試件都出現(xiàn)了較小放熱峰，可能是由于雜質(zhì)的引入；在400～600℃有較大的放熱峰，9.3 A×8 h后的試樣放熱速率大于未處理試樣和6.2 A×8 h后的試樣，且放熱峰值出現(xiàn)的溫度低，峰值較大。結(jié)果表明：6.2 A×8 h處理的試樣耐熱性與未處理試樣區(qū)別不大，9.3 A×8 h處理的試樣在較高溫度時(shí)耐熱性降低較為明顯。

圖10 不同電熱損傷CFRP的DSC曲線Fig.10 DSC curves of CFRP samples under different conditions

5 結(jié)語(yǔ)

1）用ABAQUS有限元軟件計(jì)算分析了CFRP層合板勻質(zhì)實(shí)體模型的表面溫度場(chǎng)和纖維束-樹脂模型的溫度梯度分布，與表面溫度場(chǎng)測(cè)試結(jié)果基本吻合，表明兩種模型可行。

2）通過(guò)不同電熱損傷條件下CFRP層合板的拉伸強(qiáng)度測(cè)試表明：電流強(qiáng)度越大，試樣溫度越高，拉伸強(qiáng)度越低。斷面纖維微觀分析表明：較大的電流強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生較高的溫度場(chǎng)，使得界面?zhèn)鬟f應(yīng)力的作用退化，最終導(dǎo)致CFRP的拉伸強(qiáng)度下降。

3）通過(guò)DSC熱分析測(cè)試表明：較低電流電熱損傷后，CFRP層合板耐熱性未下降；較高電流電熱損傷后，CFRP層合板在溫度較高時(shí)的耐熱性下降較明顯。

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（責(zé)任編輯：楊媛媛）

Study on temperature field and properties of CFRP electric-thermal damage

WANG Zhi-ping，YAO Jia-wei，ZHANG Guo-shang，LI Na
（Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance Key Lab of Tianjin，CAUC，Tianjin 300300，China）

ABAQUS is used to simulate surface temperature field and temperature gradient of CFRP sample,Which is subjected to DC current by founding the homogenous solid model and the fiber-matrix model.Fine consistency is reached by contrast of the experimental and simulant results.The tensile property test，the observation of fracture surface and the DSC test of CFRP samples are performed to study the electric-thermal damage to mechanical property and heat resistance.The results reveal that with the electric-thermal temperature increasing，the tensile strength，the interfacial bonding strength and the heat resistance decrease.

CFRP；electric-thermal damage；temperature field；tensile strength；heat resistance

TB332

：A

：1674-5590（2014）06-0033-05

2013-10-23；

：2013-11-13

：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（ZXH2012J002）

王志平（1963—），男，遼寧朝陽(yáng)人，教授，博士，研究方向?yàn)楹娇詹牧霞庸づc測(cè)試.