非破壞雷電流A分量作用下碳纖維復(fù)合材料的動態(tài)特性

孫晉茹,姚學(xué)玲,許雯珺,陳景亮

(西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

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非破壞雷電流A分量作用下碳纖維復(fù)合材料的動態(tài)特性

孫晉茹,姚學(xué)玲,許雯珺,陳景亮

(西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

建立了碳纖維復(fù)合材料(CFRP)雷電沖擊特性的實(shí)驗(yàn)平臺,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和對CFRP等效電路模型的分析,提出了采用兩電極測試系統(tǒng),通過檢測流經(jīng)CFRP層合板的脈沖電流和其兩端的動態(tài)電壓,研究了CFRP動態(tài)特性的測試方法,分析了在雷電流A分量作用下CFRP的動態(tài)特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在峰值時間為30.2 μs、半峰值時間為72.2 μs的非破壞雷電流A分量沖擊作用下,碳纖維復(fù)合材料具有較強(qiáng)的導(dǎo)通能力,并且隨著脈沖電流強(qiáng)度從5 A增加至100 A,其電阻由20 Ω減小至2 Ω左右,即具有顯著的非線性;CFRP試品兩端的電壓先于電流達(dá)到峰值,材料整體顯示出一定的電感效應(yīng)。利用建立的CFRP層合板的等效電路模型,對CFRP在雷電流沖擊下表現(xiàn)出的動態(tài)電阻非線性、電感特性、高導(dǎo)電微碳納米管(MCNT)夾層對材料動態(tài)伏安特性的影響等現(xiàn)象進(jìn)行了合理的解釋。研究結(jié)果為CFRP的電氣特性、樹脂熱降解、溫度場分布以及熱失重等研究提供了必要的理論支撐,同時為CFRP在航空航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

碳纖維復(fù)合材料;非破壞性沖擊電流測試;動態(tài)阻抗特性;非線性;電感特性

雷電是一種高電壓大電流的自然放電現(xiàn)象,其存在會對航空航天飛行器的安全運(yùn)行造成極大危害。飛機(jī)遭雷擊概率和氣候條件、飛機(jī)機(jī)型、飛行高度等多種因素有關(guān),一般來說,飛機(jī)遭雷擊概率為每3 000 h左右1次[1-2]。雷電對飛機(jī)產(chǎn)生的直接損傷表現(xiàn)為當(dāng)雷電電弧附著時伴隨產(chǎn)生的高溫、高壓沖擊波和電磁力對飛機(jī)造成的燃燒、熔蝕、爆炸、結(jié)構(gòu)畸變和強(qiáng)度降低等效應(yīng)[3]。

隨著碳纖維復(fù)合材料技術(shù)的進(jìn)步,碳纖維增強(qiáng)型聚合物復(fù)合材料(CFRP)在民用飛機(jī)、軍用飛機(jī)、無人機(jī)及隱形機(jī)上的用量不斷增長,波音787的主翼、尾翼、機(jī)體、地板等結(jié)構(gòu)中50%使用CFRP,2014年投入使用的空客A350XWA上CFRP的使用比例可達(dá)到53%[4-5]。相比于傳統(tǒng)的鋁、鈦合金,CFRP的電傳導(dǎo)性能差,CFRP橫向的電阻率達(dá)到10-1Ω·m量級,深度和厚度方向的電阻率更大[6-8],并且其電阻率與CFRP層合板的制作技術(shù)密切相關(guān),低導(dǎo)電性使得CFRP在雷擊時無法短時間將積累的電荷轉(zhuǎn)移或擴(kuò)散,導(dǎo)致CFRP局域溫度急劇升高,會帶來CFRP纖維斷裂、樹脂熱解、深度分層等嚴(yán)重?fù)p傷[3],進(jìn)而威脅飛機(jī)的運(yùn)行安全。

CFRP問世以來,諸多學(xué)者主要關(guān)注其機(jī)械特性的研究,得到了機(jī)械沖擊參量與CFRP的抗拉伸強(qiáng)度、抗壓縮強(qiáng)度及損傷區(qū)域面積和深度之間的關(guān)系,以及CFRP損傷和分層斷裂程度的表征[7-8],并從力學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)角度,建立了CFRP變形、損傷及斷裂的模型[9-10]。針對雷電流對CFRP的直接效應(yīng)這一多場綜合作用問題,一些研究者從熱電耦合、熱力耦合等方面[11-13]建立了用于研究CFRP的雷擊物理損傷的仿真模型。飛機(jī)實(shí)際遭雷擊時,作為最先與雷電流沖擊接觸的部位,CFRP的表面導(dǎo)電特性對雷電流的分散和傳導(dǎo)至關(guān)重要。此外,CFRP層合板在非破壞雷電流A分量沖擊作用下的動態(tài)特性能夠在一定程度上反映CFRP材料的雷擊響應(yīng)行為,然而CFRP動態(tài)特性的測試方法研究并沒有得到必要的關(guān)注。文獻(xiàn)[14-16]進(jìn)行了10 kA以上量級雷電流沖擊實(shí)驗(yàn),但很少有研究涉及CFRP的表面特性和動態(tài)沖擊特性對其雷擊響應(yīng)的影響,同時由于強(qiáng)度為kA量級的脈沖電流會在瞬間對CFRP試樣造成不可修復(fù)的損傷,不利于對CFRP在脈沖電流作用下的動態(tài)沖擊特性進(jìn)行重復(fù)和深入研究。

本文建立CFRP非破壞性雷電A分量的實(shí)驗(yàn)平臺,通過對CFRP動態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)研究,分析引起CFRP動態(tài)特性差異的影響因素,提出適合研究CFRP動態(tài)特性的測試方法,得到CFRP的動態(tài)阻抗隨外施電流變化的規(guī)律。結(jié)合得到的實(shí)驗(yàn)波形數(shù)據(jù)和CFRP試樣的表面覆層、內(nèi)部夾層和板內(nèi)鋪層模型,闡釋CFRP在雷電A分量作用下的內(nèi)在導(dǎo)通機(jī)制,為CFRP材料的結(jié)構(gòu)研究和CFRP層合板的設(shè)計(jì)奠定一定的理論基礎(chǔ)。同時,也可為CFRP樹脂熱降解、復(fù)合材料的溫度場分析以及材料的熱失質(zhì)量等模擬研究提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品的技術(shù)參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)電極和測試電路

為獲取CFRP層合板的動態(tài)特性,本文采用文獻(xiàn)[17]的三電極測量系統(tǒng)。圖1中電極A為直徑74 mm的銅圓盤,電極B為直徑50 mm的銅圓柱,電極C為內(nèi)徑54 mm、外徑74 mm的圓環(huán)狀銅電極。

(a)實(shí)驗(yàn)電極

(b)實(shí)驗(yàn)電路圖1 CFRP動態(tài)特性的測量電極和電路

選擇合適的電路元件參數(shù),圖1b電路可以產(chǎn)生滿足SAE APR 5412標(biāo)準(zhǔn)[18]的電流A分量。采用羅氏線圈、分壓器和泰克MDO3012示波器就可獲得1組雷電流A分量和CFRP樣品兩端電壓的波形,從中分析CFRP動態(tài)特性與外施電流之間的關(guān)系。

2 CFRP動態(tài)阻抗測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 電極連接方式的選擇

按圖1電路對試樣1進(jìn)行實(shí)驗(yàn),電極B接高壓端,電極A接地,在電極C的不同電氣連接下,放電電壓為2 kV時測得的樣品電壓與電流波形如圖2所示,其中Ipeak、Upeak分別為電流、電壓峰值。

(a)電極C接地

(b)電極C懸空

(c)電極C接高壓端圖2 樣品1在不同電極連接方式下實(shí)驗(yàn)波形的比較

從圖2可以發(fā)現(xiàn),保護(hù)電極C不同連接方式下測試CFRP樣品得到的電流和電壓波形幾乎相同,這一現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于雷電流的特性和CFRP層合板材料本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)造成的。雷電流A波分量作用時間很短,其上升時間不超過30 μs,波尾時間為70 μs左右,實(shí)驗(yàn)中放電電壓設(shè)置為2 kV。在放電的瞬間,放電電壓幾乎全部施加在高阻狀態(tài)的CFRP樣品上,此時樣品的等效電路如圖3所示。

電壓U可認(rèn)為是放電電壓;RC1～RC32分別代表樣品中32層高導(dǎo)電碳纖維層在厚度方向的等效體電阻;體電阻之間的間隙G1～G31代表碳纖維層之間的樹脂粘合薄層;Rs代表電極B與C之間面電阻的動態(tài)阻抗圖3 放電瞬間CFRP層合板等效電路圖

由于制作工藝的限制,材料表面層中不可避免地夾雜有絕緣介質(zhì)成分,因此面電阻支路在放電瞬間是處于高阻狀態(tài)的。由于雷電流脈沖的作用時間為μs量級,并且脈沖強(qiáng)度不高(非破壞電流脈沖,100 A以下量級),雷電流脈沖在CFRP鋪層(不管是微碳納米管或其他高導(dǎo)電材料鋪層)中的散流過程來不及進(jìn)行或所占總電流的比例極小,也就是說可以基本不考慮CFRP表面對電荷短時間的分散和傳導(dǎo)現(xiàn)象。在CFRP內(nèi)部鋪層被擊穿后,樣品的等效電路變?yōu)閳D4的形式,動態(tài)體電阻的下降使加在樣品兩端的電壓下降,進(jìn)一步提高了面電阻支路導(dǎo)通的難度。

圖4 樹脂層擊穿后CFRP層合板等效電路圖

因此,研究中采用只保留A、B的兩電極實(shí)驗(yàn)電路,如圖5所示。在這種電極連接方式下電流波從樣品中心注入,從底面流出,其主要目的是研究雷電脈沖注入情況下,CFRP層合板的體電阻特性。

圖5 CFRP動態(tài)阻抗兩電極測量電路

2.2 雷電流實(shí)驗(yàn)波形

合理選擇圖5中的電路參數(shù)C、R、L,可以產(chǎn)生滿足SAE APR 5412標(biāo)準(zhǔn)[18]的電流A分量波形,如圖6所示。圖中短路電流波形參數(shù)為峰值時間TP=30.2 μs,半峰值時間Td=72.2 μs,實(shí)驗(yàn)所采用的雷電流強(qiáng)度低于102A量級,不會對層合板樣品造成實(shí)質(zhì)性損傷。

圖6 雷電流A波波形

3 非破壞雷擊實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與分析

采用滿足SAE APR 5412規(guī)定的雷電流A分量對CFRP進(jìn)行實(shí)驗(yàn),每組包含3個樣品,對每個樣品進(jìn)行2次以上的重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

3.1 CFRP層合板雷電沖擊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中測試的樣品因其各自的制作工藝和鋪層結(jié)構(gòu)的不同,對脈沖電流有著不同的響應(yīng)。圖7為雷電流A分量作用下樣品兩端的電壓和流過的雷電流的特性。

(a)樣品1

(b)樣品2

(c)樣品3

(d)樣品4圖7 雷電流A分量作用下的電流電壓特性

從圖7可以看出:樣品上、下兩端的電壓稍先于雷電流達(dá)到峰值,即存在明顯的電感效應(yīng)。

3.2 CFRP層合板材料的阻性非線性

測量不同強(qiáng)度脈沖電流作用下電壓波形峰值VP,使用R=Vpeak/Ipeak作為材料電阻特性的標(biāo)志,得到CFRP樣品隨電流變化的沖擊阻抗特性見圖8。

圖8 樣品1～樣品4在沖擊下的阻性特性變化

對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),在雷電流A分量作用下,CFRP層合板電阻處于Ω量級,表現(xiàn)出優(yōu)良的導(dǎo)電性,其電阻值隨脈沖電流的增大而減小,顯示出明顯的非線性特征。在雷電流A分量沖擊環(huán)境下,樣品1～樣品4的體電阻差別不明顯,即高導(dǎo)電層的加入對CFRP層合板厚度方向?qū)щ娞匦杂绊戄^小。

對樣品的單次雷電A分量沖擊過程進(jìn)一步分析可得到如圖9所示的碳纖維復(fù)合材料伏安特性。

(a)樣品1

(b)樣品2

(c)樣品3

(d)樣品4圖9 CFRP樣品的動態(tài)伏安特性

從圖9可以看出:

(1)隨著雷電流幅值的增加,電壓的增加幅度逐漸減小,CFRP呈現(xiàn)顯著的非線性特性;

(2)在電流增大和減小的過程中,前后兩個電壓不相等,說明材料對脈沖電流的響應(yīng)有一定延遲;

(3)樣品上的電壓稍先于雷電流達(dá)到峰值,即存在一定的電感效應(yīng);

(4)CFRP內(nèi)部的高導(dǎo)電MCNT夾層對材料的動態(tài)特性有著較明顯的作用。

3.3 CFRP層合板雷擊實(shí)驗(yàn)分析

CFRP層合板是由碳纖維束通過樹脂鋪層粘合壓模成型的,鋪層為短纖維與樹脂組成的半導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。從電路等效角度出發(fā),纖維束可以用大量小電阻等效,而鋪層在脈沖電流流通情況下,可以等效為諸多短纖維電阻、電感與放電間隙的串聯(lián),如圖10所示,同時每層纖維層也可等效為類似的電阻電感網(wǎng)絡(luò)。

Li,j、Ri,j,、Gi,j代表纖維之間樹脂鋪層的等效電阻、電感與放電間隙;ri,j代表碳纖維束的電阻圖10 CFRP試品二維等效電路圖

隨著放電電壓的升高,樹脂絕緣層在逐漸升高的放電電壓下?lián)舸┏潭群蛽舸┟娣e逐漸增加,隨著樹脂層絕緣強(qiáng)度的減弱與導(dǎo)通程度的增加,CFRP層合板等效電阻會明顯減小。由于碳纖維導(dǎo)電率很高,因此材料整體表現(xiàn)出的電感特性可視為層合板中每層樹脂層等效電感的串聯(lián)綜合,因此測量結(jié)果中表現(xiàn)出的電感特性與碳纖維復(fù)合材料本身具有的內(nèi)部夾層特性密切相關(guān)。特別的是,在層間混入MCNT能夠有效改善CFRP層合板內(nèi)部纖維層間的導(dǎo)電特性,使CFRP材料動態(tài)伏安特性中的線性特征更加明顯,材料對脈沖電流的響應(yīng)延遲及電感效應(yīng)均有不同程度減小,即內(nèi)部夾層中的MCNT成分能夠增強(qiáng)CFRP材料的動態(tài)線性特征。

4 結(jié) 論

(1)鑒于CFRP層合板的結(jié)構(gòu)組成和雷電流A分量作用的特點(diǎn),通過對電極形式和連接方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),CFRP層合板材料在非破壞性雷電A分量作用下的阻抗特性對測量使用的三電極連接形式不敏感,因此本文提出了簡化的兩電極測量電路進(jìn)行CFRP動態(tài)阻抗特性研究。

(2)雷電沖擊作用下,碳纖維復(fù)合材料所表現(xiàn)出的Ω量級的電阻反映了CFRP層合板在雷電流A分量作用下具有較強(qiáng)的導(dǎo)通能力。CFRP材料在雷電流A分量作用下的沖擊電阻特征具有顯著的非線性,源于碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部鋪層的電氣特性。

(3)在非破壞性雷電流A分量沖擊實(shí)驗(yàn)中,高導(dǎo)電MCNT夾層摻雜數(shù)量不同的CFRP層合板試樣的體電阻的差別不明顯,即高導(dǎo)電層的加入對CFRP層合板厚度方向?qū)щ娞匦杂绊戄^小,而CFRP材料動態(tài)伏安特性會受到內(nèi)部夾層中的MCNT成分的影響。此外,由于CFRP材料中纖維與纖維之間的鋪層電感作用,樣品上的測試電壓先于電流達(dá)到峰值,材料整體顯示出一定的電感效應(yīng),而且在電流增大與減小過程中前后電壓不重合,表明材料中的電介質(zhì)對脈沖電流的響應(yīng)具有延遲效應(yīng)。

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(編輯 杜秀杰)

Dynamic Characteristics of Carbon Fiber Reinforced Polymer under Non-Destructive Lightning Current A Component

SUN Jinru,YAO Xueling,XU Wenjun,CHEN Jingliang

(State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

An experiment platform is established to measure lightning impulse characteristics of carbon fiber reinforced polymer (CFRP), on which the experimental circuit and structures of CFRP are developed to propose a suitable two-electrode testing method. The dynamic characteristics of CFRP under non-destructive lightning current A wave (TP=30.2 μs,Td=72.2 μs) are investigated. The experimental results show that the carbon fiber composite material has a strong conduction capability under lightning impulse, and its impact resistance exhibits significantly nonlinearity, and a close relationship between surface coating materials and internal layer-structures is revealed. Considering the internal ply structure, surface material and conductivity of carbon fibers, micro carbon nanotubes layers and polymer, the lightning conducting model of CFRP is established. The inductance characteristics, nonlinear dynamic resistance characteristics as well as the linear trend in dynamicV-Icharacteristics can be well explained.

carbon fiber reinforced polymer; non-destructive impulse testing methods; dynamic impedance characteristics; non-linear characteristics; inductance characteristics

2016-01-03。 作者簡介:孫晉茹(1991—),女,博士生;姚學(xué)玲(通信作者),女,教授,博士生導(dǎo)師。 基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51477132);陜西省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(2012KCT-07);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(xkjc 2014006)。

時間:2016-03-11

10.7652/xjtuxb201606020

V258;TM835

A

0253-987X(2016)06-0130-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160311.1717.006.html