沖擊電流作用下碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)電特性

曹傳亮,孫晉茹,許雯珺,陳景亮,姚學(xué)玲

(西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室,710049,西安)

碳纖維復(fù)合材料(CFRP)以其輕質(zhì)、優(yōu)越的機(jī)械性能和抗腐蝕能力而被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造等行業(yè)[1]。由于飛行器在高空飛行過程中難免會遭受雷電的沖擊,雷電流的幅值往往在幾百千安培量級,會對飛行器造成嚴(yán)重?fù)p傷。

CFRP一般是由碳纖維單絲以及環(huán)氧樹脂基體壓制而成,由于碳纖維單絲具有良好的導(dǎo)電性能,其電阻率往往可以達(dá)到10-5Ω·m的量級,而環(huán)氧樹脂的電阻率往往處于107Ω·m的量級,所以其特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其具有特殊的各向異性的導(dǎo)電性質(zhì)[2]。CFRP在縱向(垂直于碳纖維單絲方向)和厚度方向的碳纖維單絲由于環(huán)氧樹脂的隔離作用,所以CFRP縱向和厚度方向的導(dǎo)電性會明顯減弱[3]。現(xiàn)在比較常用的2種CFRP的導(dǎo)電理論是滲流理論以及隧穿理論。滲流理論認(rèn)為CFRP導(dǎo)電是由于當(dāng)CFRP內(nèi)部的碳纖維單絲的含量達(dá)到某一臨界值(滲濾濃度)時,在材料內(nèi)部的碳纖維單絲彼此相互接觸而構(gòu)成了穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),這種導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成進(jìn)而導(dǎo)致CFRP在厚度以及縱向方向可以參與導(dǎo)電;隧穿理論認(rèn)為CFRP內(nèi)部的碳纖維單絲不可能完全接觸以構(gòu)成穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),而是依靠電子的隧穿效應(yīng)跨越材料內(nèi)部阻隔纖維之間的絕緣層來參與導(dǎo)電[4-5]。

近年來,國內(nèi)外學(xué)者都將CFRP的性能研究作為重點研究對象,尤其在其電學(xué)特性方面的研究。文獻(xiàn)[6]對碳纖維-環(huán)氧樹脂層合板在升溫過程中的電阻率進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)CFRP的電導(dǎo)率隨著溫度的增加而逐漸增加,即CFRP具有負(fù)溫度電阻系數(shù)(NCT)。CFRP在經(jīng)過一段時間的連續(xù)疲勞測試之后,其直流電阻會出現(xiàn)明顯的增加[7-8]。國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)CFRP的直流電阻特性以及碳纖維復(fù)合材料特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對CFRP損傷的自檢測法進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)CFRP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞時,會對其電阻造成不可恢復(fù)的改變,因此對CFRP損傷的自檢測法是十分可行的[9-11]。

傳統(tǒng)的CFRP損傷的自檢測法只考慮了直流電阻的變化,將CFRP的阻抗性質(zhì)看作是純阻性的。根據(jù)先前的實驗研究發(fā)現(xiàn),CFRP在脈沖電流下的阻抗性質(zhì)是感性的,因此當(dāng)CFRP遭受雷擊作用時,單獨考慮直流電阻無法準(zhǔn)確估計出材料是否已經(jīng)失效,因為如果材料內(nèi)部只是絕緣基體發(fā)生了破壞,那么其所對應(yīng)的直流電阻一定會有所減小,只有當(dāng)材料內(nèi)部的纖維發(fā)生斷裂時,材料整體的電阻才會增加。為了更好地了解CFRP在雷電直接作用下的損壞機(jī)理,幫助我們預(yù)測CFRP在高強(qiáng)度雷電流作用下的基本導(dǎo)電特性,對CFRP進(jìn)行非破壞性沖擊電流下的動態(tài)導(dǎo)電特性的研究是十分有必要的。本文在不同沖擊電流作用下,對CFRP厚度方向上的動態(tài)導(dǎo)電特性進(jìn)行了測試,進(jìn)一步分析出在遭受雷擊時CFRP導(dǎo)電的機(jī)理以及特性,為CFRP遭受雷電直接作用時導(dǎo)電模型的建立及纖維的斷裂、絕緣基體的熱降解等損傷的產(chǎn)生提供了理論依據(jù),為CFRP損傷的自檢測法提供了新的思路。

1 實驗平臺及實驗方法

1.1 實驗樣品

實驗所采用的樣品為IM600/133碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料,鋪層方式為[45°/0°/-45°/90°]4S,樣品長度為150 mm、寬度為100 mm、厚度為5 mm。材料的熱電物理屬性見表1。

CFRP通常是利用碳纖維預(yù)浸布使用平板硫化機(jī)壓模固化而成,固化壓力為0.5 MPa,固化溫度曲線如圖1所示[12]。

1.2 實驗回路設(shè)計

本文共設(shè)計了3種不同波形的沖擊電流波形,波形參數(shù)T1/T2分別為4/10、8/20以及30/80。其中T1為波前時間,表示沖擊電流由0升至最大值的時間;T2為半峰值時間,表示沖擊電流由0上升至最大值后下降至最大值的1/2所用的時間。

表1 IM600/133碳纖維復(fù)合材料的熱電物理屬性

圖1 碳纖維復(fù)合材料的成型固化曲線

為了獲得不同波形的沖擊電流,本文采用文獻(xiàn)[13]中的RLC回路來產(chǎn)生沖擊電流,如圖2所示,通過調(diào)節(jié)回路中的電感及電阻參數(shù)就可以獲得不同波形參數(shù)的沖擊電流。所選取的回路參數(shù)見表2。測量得到的3種沖擊電流波形如圖3所示。

圖2 RLC沖擊電流發(fā)生回路

T1/T2C/μFL/μHR/Ω4/101.90.428/2087.40.6430/801254.3

圖3 不同波形的沖擊電流波形

圖3中3種不同波形參數(shù)的沖擊電流波的波前時間T1和半峰值時間T2分別為:T1=3.84 μs,T2=10.1 μs;T1=7.72 μs,T2=19.6 μs;T1=28.9 μs,T2=84.1 μs,且反極性振蕩均小于20%,滿足沖擊電流波形的要求。

1.3 實驗電極及夾具的設(shè)計

根據(jù)文獻(xiàn)[14]可知,利用三電極系統(tǒng)測試出的實驗結(jié)果與二電極系統(tǒng)的實驗結(jié)果幾乎一致,所以在本次實驗中所采用的測量電極為二電極系統(tǒng)。為了研究測量電極尺寸對CFRP的導(dǎo)電特性的影響,本文共設(shè)計了3種不同的電極尺寸,分別為150 mm×100 mm、60 mm×40 mm以及30 mm×20 mm。

為了保證CFRP的表面與電極接觸的緊密性,減小測量過程中的接觸電阻,測量時在銅電極下覆蓋一層相對柔軟的鋁箔,然后利用夾具將碳纖維復(fù)合材料與銅電極緊密的固定在一起。測量CFRP在沖擊電流作用下導(dǎo)電特性的實驗回路如圖4所示。

圖4 碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)電特性的實驗回路

1.4 實驗方法及過程

本文對碳纖維復(fù)合材料厚度方向上的動態(tài)伏安特性進(jìn)行了實驗研究,分別在不同電流幅值和不同測量電極尺寸條件下,在碳纖維復(fù)合材料厚度方向上施加3種不同的沖擊電流波形,從而獲得了碳纖維復(fù)合材料厚度方向上的動態(tài)伏安特性曲線。

為了防止銅電極表面存在氧化,每次實驗前首先進(jìn)行電極的處理,用砂紙對銅電極表面進(jìn)行打磨,消除銅電極表面氧化帶來的實驗誤差,然后在銅電極下方敷設(shè)一層導(dǎo)電性良好而且質(zhì)地比較柔軟的鋁箔,最后將電極放置在碳纖維復(fù)合材料表面并用實驗夾具夾緊,進(jìn)而消除接觸電阻對碳纖維復(fù)合材料測試結(jié)果的影響。

按圖2和圖4連接電路,按表2中的R、L、C選擇電路參數(shù)即可獲得不同的沖擊電流波形,通過調(diào)整回路中電容的充電電壓UC就可以獲得不同電流幅值的沖擊電流。分別用羅氏線圈和脈沖分壓器測量流經(jīng)碳纖維復(fù)合材料的電流和其兩端的電壓。在不同電流波形作用時,分別在不同的電流幅值作用下測量碳纖維復(fù)合材料的動態(tài)伏安特性曲線。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 電流幅值對CFRP的動態(tài)伏安特性的影響

(a)CFRP動態(tài)伏安特性曲線

(b)不同電流幅值下CFRP動態(tài)伏安特性曲線圖5 電流幅值與碳纖維復(fù)合材料的動態(tài)伏安特性的關(guān)系

T1/T2為4/10的沖擊電流作用下,測量電極尺寸為60 mm×40 mm。分別在不同的電流幅值下對CFRP的動態(tài)伏安特性進(jìn)行了測試,電容上的充電電壓UC由100 V上升至400 V,電流幅值對CFRP的動態(tài)伏安特性影響如圖5所示。由圖5可以看出:①CFRP在沖擊電流作用下的動態(tài)伏安特性曲線在電流的上升階段和下降階段表現(xiàn)出明顯的不重合的現(xiàn)象,而且當(dāng)電流上升段與下降段的電流相同時,上升段所對應(yīng)的電壓值要高于下降段所對應(yīng)的電壓值;②隨著沖擊電流幅值的增加,其所對應(yīng)的動態(tài)伏安特性曲線在電流上升過程中會向上移動,即試品兩端電壓升高;③在電流下降初期,電流幅值越大,其所對應(yīng)的動態(tài)伏安特性曲線就越向下偏移,即試品兩端電壓越小。隨著電流的進(jìn)一步下降,不同電流幅值所對應(yīng)的動態(tài)伏安特性曲線會出現(xiàn)逐漸重合的趨勢。

出現(xiàn)上述實驗結(jié)果的原因是由于CFRP特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成的,由文獻(xiàn)[14]可知,CFRP在沖擊電流作用下的阻抗性質(zhì)是感性的,所以CFRP的簡化等效電路如圖6所示。

Rm代表CFRP的等效電阻;Lm代表CFRP的等效電感;Cm代表絕緣間隙圖6 CFRP的簡化等效電路模型

當(dāng)流過CFRP上沖擊電流的瞬時值相同時,在電流上升和下降過程中,碳纖維復(fù)合材料上的電壓可以表示為

U1=i1Rm1+Lm(di1/dt)

(1)

U2=i2Rm2+Lm(di2/dt)

(2)

將式(2)減去式(1)得

U2-U1=i(Rm2-Rm1)+

Lm[(di2/dt)-(di1/dt)]

(3)

式中:Rm1、Rm2分別代表CFRP在電流上升段與下降段的等效電阻;di1/dt、di2/dt分別代表沖擊電流上升段與下降段的電流變化率。

在電流流經(jīng)CFRP的過程中,當(dāng)電流值達(dá)到某一臨界值時,CFRP內(nèi)部的纖維之間的樹脂絕緣強(qiáng)度不斷下降,絕緣基體中的泄漏電流逐漸增加,這就會導(dǎo)致絕緣基體的導(dǎo)電性能逐漸增大,進(jìn)而導(dǎo)致材料的導(dǎo)電性能提高。但是,在電流上升的過程中,材料中的電子要從電場中吸收足夠的能量來克服電子發(fā)生隧穿效應(yīng)的勢壘,此時材料中的載流子數(shù)的變化趨勢是一個由少變多的過程;在電流下降過程中,當(dāng)流過CFRP厚度方向上的電流值達(dá)到與上升過程中相同的電流值時,由于在電流上升過程中施加在材料上的電壓不斷增大,所以材料內(nèi)部載流子數(shù)在電流上升過程中不斷增加,當(dāng)流過碳纖維復(fù)合材料上的電流值減小時,材料內(nèi)部參與導(dǎo)電的載流子的能量逐漸消散,進(jìn)而導(dǎo)致材料內(nèi)部的載流子數(shù)減少。所以,在電流下降過程中,材料內(nèi)部的載流子的變化趨勢是由多變少的過程,但是無論電子的能量積累還是能量消散都需要一定的時間。在電流下降階段材料內(nèi)部載流子數(shù)將會大于在電流上升階段載流子數(shù),即CFRP在電流上升段的電阻要大于在下降段的電阻,有

Rm2-Rm1<0

(4)

由于在同一沖擊電流幅值作用下,沖擊電流的電流上升頻率要明顯高于電流下降的頻率,因此碳纖維復(fù)合材料在電流上升階段的感抗要大于電流在下降過程中的感抗。例如,波形參數(shù)為4/10的沖擊電流波形在電流上升段的電流變化率大約是下降段電流變化率的2.5倍,并且考慮到電流上升過程中di1/dt>0,電流下降過程中di2/dt<0,可得

(di2/dt)-(di1/dt)<0

(5)

式(3)中電流i與電感L的值均大于0,可得

U2-U1<0

(6)

即當(dāng)流過CFRP上沖擊電流的瞬時值相同時,在電流上升段CFRP上的電壓值要大于下降段CFRP上的電壓值,所以產(chǎn)生了相同電流幅值時電流上升和下降過程中動態(tài)伏安特性不重合的現(xiàn)象。

在電流上升階段,隨著電流幅值增大動態(tài)伏安特性向上移動,原因是由于電流幅值越大,電流變化率越大,CFRP內(nèi)部電感上的感應(yīng)電壓值增大,即U1中的Lm(di1/dt)增大,因此其伏安特性曲線向上移動。

在流過CFRP上沖擊電流下降的初期,可以明顯地看出隨著電流幅值的增加,CFRP的伏安特性曲線向下移動。其原因是:由于沖擊電流幅值越大,CFRP上所承受的電壓也就越大,所以材料內(nèi)部有更多的電子可以在電場中積累足夠的能量而跨越電子發(fā)生隧穿效應(yīng)的勢壘,進(jìn)而導(dǎo)致CFRP內(nèi)部載流子數(shù)增多,使材料的電阻減小。隨著電流的進(jìn)一步下降,不同電流幅值的沖擊電流所對應(yīng)的伏安特性曲線趨于一致。這是由于隨著電流幅值的下降,材料內(nèi)部的電子無法從電場中獲得足夠的能量跨越勢壘進(jìn)行隧穿效應(yīng),從而導(dǎo)致材料的電阻回升,使不同電流幅值所對應(yīng)的伏安特性曲線逐漸接近。

2.2 測量電極對CFRP的動態(tài)伏安特性的影響

在T1/T2為4/10的沖擊電流作用下,不同測量電極對CFRP的伏安特性影響如圖7所示。

(a)100 V

(b)400 V圖7 測量電極尺寸與碳纖維復(fù)合材料的動態(tài)伏安特性的關(guān)系

由圖7實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),測量電極尺寸越大,CFRP的動態(tài)伏安特性的電流幅值就越大,當(dāng)放電電壓UC均為100 V時,電極尺寸由60 mm×40 mm變?yōu)?0 mm×20 mm時,其動態(tài)電流幅值增大了15%。當(dāng)放電電壓UC提高至400 V時,以上2種尺寸的電極測得的電流的增長率約為11.9%。這說明沖擊電流的作用面積越大,其電阻會出現(xiàn)明顯減小的現(xiàn)象,且電流幅值的增長率逐漸減小。隨著測量電極的增加,CFRP的動態(tài)伏安特性曲線明顯整體向下移動。隨著脈沖電流幅值的提升,不同測量電極尺寸所測得的動態(tài)伏安特性曲線逐漸接近。

3種電極尺寸依次為30 mm×20 mm、60 mm×40 mm和150 mm×100 mm,根據(jù)電阻的公式可知,材料的電阻與參與導(dǎo)電的導(dǎo)電面積成反比,所以當(dāng)材料的測試電極尺寸增大時,相當(dāng)于增大了材料的導(dǎo)電面積,從而導(dǎo)致CFRP電阻減小,造成式(1)和式(2)中的i1Rm1和i2Rm2部分減小,因此材料的伏安特性曲線會整體向下移動。

2.3 電流波形對CFRP的動態(tài)伏安特性的影響

沖擊電流波形分別為4/10、8/20和30/80,每次測量時沖擊電流的電流幅值都相同。實驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 電流波形與碳纖維復(fù)合材料伏安特性之間的關(guān)系

由圖8結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),隨著沖擊電流波形的持續(xù)時間增加,其所對應(yīng)的CFRP的伏安特性向下移動,而且上升段與下降段所包圍的面積寬度也明顯減小。其原因是:隨著沖擊電流持續(xù)時間的增加,電流達(dá)到幅值的時間就會明顯延長,最終導(dǎo)致了碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部的電子會從電場中積累更多的能量,這些電子有一部分沿著電場的方向進(jìn)行移動而產(chǎn)生電流,另一部分沿著材料表面進(jìn)行擴(kuò)散,電子擴(kuò)散到的區(qū)域的電勢會明顯提高,所以在擴(kuò)散區(qū)域的電子能夠繼續(xù)在電場中吸收足夠的能量,進(jìn)而跨越在材料厚度方向上發(fā)生隧穿效應(yīng)所需要的能量,最后參與到碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)電當(dāng)中。因此,隨著沖擊電流持續(xù)時間的增加,碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部參與導(dǎo)電的電子以及等效面積都會增加。所以,沖擊電流的持續(xù)時間越長,其所對應(yīng)的CFRP的動態(tài)伏安特性會向下移動。

隨著沖擊電流的波前時間的增加,其電流變化率也會明顯下降,這導(dǎo)致了CFRP內(nèi)電感上所產(chǎn)生的反向電壓值Lm(di/dt)明顯減小,由于其電流作用時間較長,電子有更多的時間從電場中獲得能量,即使是在電流下降階段,其內(nèi)部電子的能量會逐漸消散,但是由于電流作用時間較長的原因,材料內(nèi)部的電子能量消散的速度也會比較緩慢。所以,隨著沖擊電流持續(xù)時間變長,在材料的等效電阻Rm的值會逐漸減小,而且電流上升段的等效電阻Rm1與下降段的等效電阻Rm2之間的偏差會逐漸減小,進(jìn)而導(dǎo)致了(U1-U2)的差值逐漸減小。因此,電流波形的持續(xù)時間越長,CFRP的動態(tài)伏安特性曲線在上升段與下降段所包圍的面積寬度也會明顯下降,即CFRP阻抗的非線性隨著沖擊電流的作用時間的增加而逐漸減弱。

3 結(jié) 論

本文分別對碳纖維復(fù)合材料在不同沖擊電流波形、電流幅值以及測量電極尺寸作用下進(jìn)行了無損沖擊實驗,根據(jù)實驗結(jié)果可以得出以下結(jié)論:

(1)在沖擊電流作用下,CFRP的動態(tài)伏安特性曲線在電流的上升階段與下降階段表現(xiàn)出明顯的不重合特性。隨著電流幅值的增加,在電流上升階段CFRP的動態(tài)伏安特性曲線向上移動;在電流下降階段,動態(tài)伏安特性曲線出現(xiàn)先逐漸向下偏移再逐漸趨于重合的現(xiàn)象。

(2)當(dāng)電極尺寸由30 mm×20 mm增大到60 mm×40 mm時,流過CFRP上的動態(tài)電流的電流幅值增加了15%。隨著電極尺寸的增加,CFRP的動態(tài)伏安特性曲線整體逐漸向下偏移。隨著電流幅值的增加,CFRP的動態(tài)伏安特性呈現(xiàn)逐漸接近的趨勢,由于電子沿材料表面擴(kuò)散的原因,其電流幅值的變化率由15%下降至11.9%。

(3)隨著沖擊電流持續(xù)的時間增加,CFRP的動態(tài)伏安特性曲線逐漸向下移動。CFRP的動態(tài)伏安特性曲線在電流上升段與下降段所圍成的面積寬度逐漸減小,即碳纖維復(fù)合材料的動態(tài)伏安特性的非線性明顯減弱。

[1] YU Hong, HEIDER D, ADVANI S. A 3D microstructure based resistor network model for the electrical resistivity of unidirectional carbon composites [J]. Composite Structure, 2015, 134: 740-749.

[2] TAIPALUS R, HARMIA T, FRIEDRICK K. Short fiber reinforced PP/PANI-complex blends and their mechanical and electrical properties [J]. Applied Composite Materials, 1999, 6(3): 167-175.

[3] CARMONA F, ELAMARTI A. Anisotropic electrical conductivity in heterogeneous solids width cylindrical conducting inclusions [J]. Physical Review: B, 1987, 35(7): 3284-3290.

[4] VILCAKOVA J SAHA P, QUADRAT O. Electrical conductivi-ty of carbon fibers/polyester resin composites in the percolation threshold region [J]. European Polymer Journal, 2002, 38(12): 2343-2347.

[5] CHEKANOV Y, OHNOGI R, GEOASA S, et al. Electrical properties of epoxy resin filled with carbon fibers [J]. Journal of Materials Science, 1999, 34(22): 5589-5592.

[6] YASIN S F, ZIHLIF A M. The electrical behavior of laminated conductive polymer composite at low temperatures [J]. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2005, 16(2): 63-69.

[7] TODOROKI A, HARUYAMA D, MIZUTANI Y, et al. Electrical resistance change of carbon/epoxy composite laminates under cyclic loading under damage initiation limit [J]. Open Journal of Composite Materials, 2014, 4(1): 22-31.

[8] VAVOULIOTIS A, PAIPETIS A, KOSTOPOULOS V. On the fatigue life prediction of CFRP laminates using the electrical resistance change method [J]. Composites Science and Technology, 2011, 71(5): 630-642.

[9] BAERE I D, PAEPEGEM W V, DEGRIECK J. Electrical resistance measurement for in situ monitoring of fatigue of carbon fabric composites [J]. International Journal of Fatigue, 2010, 32(1): 197-207.

[10]TODOROKI A, TANAKA Y, SHIMAMURA Y. Delamination monitoring of graphite/epoxy laminated composite plate of electric resistance change method [J]. Composites Science and Technology, 2002, 62(9): 1151-1160.

[11]CHEOLSEO D, LEE J J. Damage detection of CFRP laminates using electrical resistance measurement and neural network [J]. Composite Structures, 1999, 47(1/2/3/4): 525-530.

[12]董琪. 碳纖維復(fù)合材料雷擊損傷實驗研究與數(shù)值模擬 [D]. 濟(jì)南: 山東大學(xué), 2015: 11-12.

[13]陳景亮, 姚學(xué)玲, 孫偉. 脈沖電流技術(shù) [M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2008: 33-35.

[14]孫晉茹, 姚學(xué)玲, 許雯珺, 等. 非破壞電流A分量作用下碳纖維復(fù)合材料的動態(tài)特性 [J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報, 2016, 50(6): 130-135. SUN Jinru, YAO Xueling, XU Wenjun, et al. Dynamic characteristics of carbon fiber reinforced polymer under non-destructive lightning current a component [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2016, 50(6): 130-135.