王志平，梁吉勇，張國(guó)尚，韓志勇，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復(fù)合材料電熱特性及力學(xué)性能測(cè)試與分析

王志平，梁吉勇，張國(guó)尚，韓志勇，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）

采用自主研制的電熱損傷實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)CFRP試樣電流、溫度場(chǎng)的測(cè)試，給出了CFRP試樣的電熱溫度與電流強(qiáng)度之間呈線性遞增的關(guān)系；通過(guò)力學(xué)性能的測(cè)試，初步揭示了CFRP材料隨電加熱溫度的提高，其拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)“增加—穩(wěn)定—降低”的趨勢(shì)；彈性模量及泊松比均呈現(xiàn)“降低—穩(wěn)定—降低”的趨勢(shì)。還通過(guò)電鍍工藝優(yōu)化和預(yù)緊力的精確控制，成功解決了CFRP試樣與電極接觸電阻過(guò)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(fù)性。

CFRP；電熱損傷；接觸電阻；力學(xué)性能

碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料（CFRP）性能優(yōu)異[1-3]，已經(jīng)大量地應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)中[4-6]。由于飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)的法拉第籠作用，CFRP材料構(gòu)件在飛機(jī)運(yùn)行過(guò)程中將不可避免地受到以下3種電場(chǎng)和電流作用[7]：①飛機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中遭受雷擊導(dǎo)致CFRP材料構(gòu)件中產(chǎn)生強(qiáng)電流（電流強(qiáng)度為kA級(jí)）；②機(jī)身表面的靜電荷在CFRP材料構(gòu)件中的釋放產(chǎn)生電流；③飛機(jī)內(nèi)部的電子設(shè)備在CFRP材料構(gòu)件中產(chǎn)生的感應(yīng)電流（電流強(qiáng)度為安培級(jí)，電流頻率最高達(dá)1 kHz）。電流的形成過(guò)程會(huì)使CFRP材料溫度迅速上升，過(guò)高的溫度可能會(huì)使復(fù)合材料發(fā)生物理、化學(xué)甚至微觀結(jié)構(gòu)的變化，從而帶來(lái)其機(jī)械性能與設(shè)計(jì)目標(biāo)的偏離，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成飛機(jī)結(jié)構(gòu)的失效，直接威脅飛機(jī)的運(yùn)行安全。

對(duì)電流作用下CFRP材料行為的研究，是近40年來(lái)航空復(fù)合材料領(lǐng)域科學(xué)研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題。1975年，英國(guó)航空研究中心的Phillips[8]等人用模擬方法研究了雷擊強(qiáng)電流對(duì)CFRP層壓板機(jī)械性能的影響，此后，Burrows[9]等人繼續(xù)使用模擬的方法進(jìn)行了該條件下CFRP材料特性的研究。2005年，美國(guó)華盛頓大學(xué)Feraboli[10]等人設(shè)計(jì)了雷擊損傷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)模擬雷擊時(shí)的真實(shí)場(chǎng)景，研究了強(qiáng)電流（10～50 kA）對(duì)CFRP材料性能和微觀組織的影響。但此種仿真實(shí)驗(yàn)成本昂貴，且與真實(shí)場(chǎng)景還存在較大的差距。2009年以來(lái)，法國(guó)ENSMA大學(xué)和美國(guó)IOWA大學(xué)分別設(shè)計(jì)了一種新的CFRP電熱損傷實(shí)驗(yàn)方法與裝置，其研究重點(diǎn)由雷擊強(qiáng)電流轉(zhuǎn)向普通電流（安培級(jí)）。應(yīng)用該實(shí)驗(yàn)方法，Marco[7]等人研究了CFRP材料通過(guò)普通電流時(shí)其溫度場(chǎng)的分布及相關(guān)力學(xué)行為。在國(guó)內(nèi)，關(guān)于CFRP材料電熱行為的研究及相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法還未見(jiàn)報(bào)道，而中國(guó)民航飛機(jī)的安全運(yùn)行及國(guó)產(chǎn)商用飛機(jī)CFRP結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，均需該領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的支持。

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

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)試件由鋪層方式為[0]10層合板來(lái)制備，試件尺寸為200 mm×15 mm×2.2 mm。原材料為美國(guó)cytec公司生產(chǎn)的CYCOM 970/PWC T300 3K型碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基預(yù)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(shí)驗(yàn)裝置

文獻(xiàn)[7]中所采用的電熱損傷測(cè)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(wú)法精確測(cè)量與控制，也無(wú)法同時(shí)采集試件電流、電壓、溫度、應(yīng)變等反映材料通電特性的參量。因此，本文研制了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，預(yù)緊力控制精確，適應(yīng)多種試件尺寸要求，可同時(shí)動(dòng)態(tài)采集CFRP材料主要通電特性參量的測(cè)試系統(tǒng)。圖1所示的是實(shí)驗(yàn)裝置原理圖，試樣夾持機(jī)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(guò)接觸點(diǎn)時(shí)在接觸處產(chǎn)生的電阻。在CFRP試樣電熱作用實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，如果銅電極與試樣之間的接觸電阻過(guò)大或者不可控，該處產(chǎn)生的電阻熱會(huì)影響到CFRP試樣的溫度場(chǎng)，將直接影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性、客觀性。因此，本實(shí)驗(yàn)對(duì)CFRP試樣進(jìn)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(fù)性。

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

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

使用ZY9987型微歐計(jì)測(cè)量CFRP試樣的接觸電阻，設(shè)計(jì)了兩種處理方式對(duì)試樣的接觸電阻進(jìn)行優(yōu)化，即對(duì)試樣分別進(jìn)行涂覆導(dǎo)電膠和電鍍銅處理，并與未處理試樣進(jìn)行對(duì)比。

1.4 CFRP試樣電熱特性研究

在自制的CFRP電熱損傷實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選擇接觸電阻優(yōu)化處理后的CFRP試樣，對(duì)其施加不同強(qiáng)度的電流，每個(gè)電流強(qiáng)度測(cè)試3個(gè)試樣，通電時(shí)間為1.5 h，研究電流強(qiáng)度與溫度之間的關(guān)系。

1.5 電熱作用后CFRP試樣力學(xué)性能的測(cè)試

在INSTRON5982型拉伸試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)不同電流強(qiáng)度電熱作用后的各組CFRP試樣（每組3個(gè)）進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，研究不同電熱溫度對(duì)各組試樣抗拉強(qiáng)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(shí)驗(yàn)中測(cè)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(jīng)優(yōu)化處理后的CFRP試樣接觸電阻的測(cè)量情況。從表中可以看出，涂覆導(dǎo)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(dǎo)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(jì)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(dǎo)電膠試樣的接觸電阻仍有一定的分散性，而經(jīng)電鍍銅處理后的5個(gè)試樣的接觸電阻值在0.32～0.39 Ω之間，波動(dòng)較小，具有良好的重復(fù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，電鍍銅處理對(duì)CEFP試樣接觸電阻的改善效果最佳，因此，本研究后續(xù)實(shí)驗(yàn)中的CFRP試樣均使用電鍍銅的方式進(jìn)行處理。

3 CFRP電熱特性的測(cè)試

電流強(qiáng)度對(duì)CFRP試樣電熱溫度影響的測(cè)試結(jié)果如表3所示。從表中可以看出，當(dāng)電流強(qiáng)度由4.8 A逐步增加至11.6 A時(shí)，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(qiáng)度的變化關(guān)系圖，從圖中可以看出，在4.8～11.6 A電流強(qiáng)度范圍內(nèi)，CFRP試樣的電熱溫度與電流強(qiáng)度之間基本呈線性關(guān)系。

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

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

4 電熱作用對(duì)CFRP力學(xué)性能的影響

在不同電熱溫度下，各組試樣對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度、彈性模量及泊松比統(tǒng)計(jì)情況如表4所示（表中數(shù)據(jù)均為3個(gè)試樣的平均值）。

表4 不同電熱溫度下CFRP試樣力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)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(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度變化關(guān)系圖。從圖中可以看出，隨著電熱溫度的增加，CFRP試樣抗拉強(qiáng)度的變化大致呈現(xiàn)出“增加—穩(wěn)定—降低”的趨勢(shì)。當(dāng)電熱溫度小于162.3℃時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度從644.3MPa增加至753.49MPa；在162.3～220℃電熱溫度區(qū)間內(nèi)，試樣的抗拉強(qiáng)度保持在750 MPa左右的穩(wěn)定水平；當(dāng)溫度超過(guò)220℃時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度關(guān)系圖Fig.5 Correlation between electroghermal temperature and tensile strength

圖6為不同電熱溫度下試樣對(duì)應(yīng)的彈性模量變化關(guān)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(shì)。當(dāng)電熱溫度小于162.3℃時(shí)，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(nèi)，試樣的彈性模量在55 MPa上下波動(dòng)；當(dāng)溫度超過(guò)258.3℃時(shí)，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(guān)系圖Fig.6 Correlation between electroghermal temperature and elastic modulus

圖7為不同電熱溫度下試樣對(duì)應(yīng)的泊松比變化關(guān)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(shì)。當(dāng)電熱溫度小于142.6℃時(shí)，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(nèi)，試樣的泊松比穩(wěn)定在0.3左右的水平；當(dāng)溫度超過(guò)240℃時(shí)，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(guān)系圖Fig.7 Correlation between electroghermal temperature and Poisson ratio

5 結(jié)語(yǔ)

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(dǎo)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(dǎo)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(dòng)較小，具有良好的重復(fù)性；

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

3）電熱作用對(duì)CFRP試樣的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度呈現(xiàn)“增加-穩(wěn)定-降低”趨勢(shì)；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(shì)。

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（責(zé)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.