王志平，姚佳偉，張國尚，李 娜

（中國民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津 300300）

CFRP層合板電熱損傷溫度場及性能研究

王志平，姚佳偉，張國尚，李 娜

（中國民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津 300300）

采用ABAQUS有限元軟件建立了CFRP層合板的勻質(zhì)實體模型和纖維束-樹脂模型，利用熱-電耦合模塊，分別計算了多種電流制度下穩(wěn)態(tài)表面溫度場和內(nèi)部溫度梯度，仿真計算結(jié)果與實際測試結(jié)果吻合較好；通過CFRP層合板試樣拉伸強度的測試、斷面微觀形貌的分析以及DSC熱分析，研究了電熱損傷對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度及耐熱性均呈現(xiàn)下降趨勢。

CFRP；電熱損傷；溫度場；拉伸強度；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]，在航空器材運行過程中，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。

飛機在飛行過程中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)經(jīng)常會暴露在電磁場中，電磁場一般來源于以下3類[4]：

1）雷電天氣：飛機在服役過程中會受到雷擊，在雷擊點及附近區(qū)域電流達到幾千安培，而在遠端結(jié)構(gòu)中電流可降至安培級，作用時間較短（秒級）。

2）飛機內(nèi)部安裝的電子設(shè)備引起的電流：電流相對較小（安培級），發(fā)生于整個飛機服役過程中，累計作用時間長。

3）機體表面靜電積累導(dǎo)致的電流：飛機在飛行過程中與空氣、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產(chǎn)生電暈放電。

2010年，法國ENSMA大學(xué)的研究人員Macro等人利用有限元模擬和實驗兩種方法研究了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，試樣表面中心位置的穩(wěn)態(tài)溫度約為205℃，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好[5]。美國空軍研究實驗室Telitchev和Sierakowski對CFRP復(fù)合材料在恒定直流電流（25 A和50 A）下的性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)電流強度對材料通電后抗沖擊性能的影響有一定的規(guī)律性[6]。

目前國內(nèi)針對CFRP復(fù)合材料電熱損傷問題的研究處于剛剛起步階段。電流與溫度場的關(guān)系和溫度場與材料性能的關(guān)系是CFRP電熱損傷研究最基礎(chǔ)同時也是必須要解決的兩個重要問題。因此本文采用仿真計算和實際測量兩種方法研究CFRP電熱損傷過程中溫度場問題；通過實驗與分析手段初步揭示CFRP電熱損傷后的性能變化規(guī)律及作用機理。

1 實驗材料和方法

1.1 試樣材料

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

1.2 CFRP試樣溫度場的仿真計算

使用ABAQUS軟件建立模型，在熱電耦合模塊下，對試樣在多種電流制度下（2 A，4 A，6 A，8 A）通電過程中表面溫度場及內(nèi)部溫度梯度進行計算。

1.3 CFRP試樣溫度場的測試

使用電熱載荷實驗環(huán)境與測試平臺測試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，通電時間為1 000 s。

1.4 CFRP試樣拉伸性能的測試

使用INSTRON5982型萬能拉伸試驗機，分別對未處理試樣、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）進行拉伸試驗，取每組數(shù)據(jù)平均值進行對比。并且利用1530VP型掃描電子顯微鏡對3類試樣的纖維斷裂微觀形貌進行對比分析，初步探索拉伸性能變化的機理。

1.5 CFRP試樣DSC測試

利用DSC822e型差示掃描量熱分析儀，對試樣耐熱性進行研究，溫度范圍為25～600℃，升溫速度為10℃/min，氮氣保護。

2 CFRP層合板溫度場的計算

2.1 CFRP層合板表面溫度場的計算

為了獲得CFRP層合板表面溫度場，建立層合板的勻質(zhì)實體模型，計算表面溫度分布。

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為體積分數(shù)；下標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試件表面溫度的測試中，獲得電阻隨溫度變化呈線性降低趨勢[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，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為坐標軸；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；下標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)實體模型

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

層合板成型過程中會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，電流密度與勻質(zhì)實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為以上模型計算所得的表面穩(wěn)態(tài)溫度。圖5所示為8 A時溫度場，可清楚地看到內(nèi)外溫度梯度。當(dāng)電流強度達到8 A時，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-樹脂模型的溫度場計算結(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試

不同電流制度下，CFRP層合板表面溫度測試結(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)溫度測試結(jié)果Tab.6 Measured steady-state temperature of surface under different currents of specimen

圖6為勻質(zhì)實體模型計算的表面溫度與實際測試的表面溫度隨時間變化規(guī)律的對比?？煽闯?，穩(wěn)態(tài)時表面溫度吻合較好，但計算結(jié)果的升溫速率略小于測試的升溫速率。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，且同等電流強度下，碳纖維承載的電流密度大于勻質(zhì)實體模型的電流密度，故表面溫度升高較快。

圖6 I=8 A時測試與模擬對比Fig.6 Comparison between measured and simulated results

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

4 電熱損傷對CFRP層合板性能影響

4.1 電熱損傷對拉伸性能的影響

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

表7 不同電熱損傷下拉伸強度Tab.7 Tensile strength under different conditions

4.2 電熱損傷對界面結(jié)合強度的影響

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度降低，在拉伸斷裂過程中，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樹脂連結(jié)，樹脂與纖維的結(jié)合強度大大減弱，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)過電熱損傷的兩個試樣（6.2 A×8 h、9.3 A×8 h）在126～208℃均出現(xiàn)一個很小的吸熱峰，說明樹脂出現(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

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

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

3）通過DSC熱分析測試表明：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的耐熱性下降較明顯。

[1]LIN K Y.Composite Materials for Aerospace Structures，AA432[R]. Winter Quarter，2006.

[2]王云英，劉 杰，孟江燕，等.纖維增強聚合物基復(fù)合材料老化研究進展[J].材料工程，2011（7）：85-88.

[3]劉景軍，李效玉.高分子材料的環(huán)境行為與老化機理研究進展［J］.高分子通報，2005（3）：62-69.

[4]PHILLIP E D.Electrical and Thermal Behavior of Im7/977-3 Carbon Fiber Polymer Matrix Composites Subjected to Time-Varying and Steady Electric Currents[D].Iowa：University of Iowa，2010.

[5]MACRO G，MARIE C，LAFARIE F，et al.Development of experimental and modeling tools for the characterization of the thermo-electro-mechanical behavior of composite materials for aircraft application[J]. Mecanique&Industries，2011，12（2）：87-101.

[6]ROBERT L S，IGOR Y T，OLESYA I Z.On the impact response of electrified carbon fiber polymer matrix composites：Effects of electric currentintensityandduration[J].Composites Science and Technology，2008，68（3）：639-649.

[7]王 鈞，楊小利，劉 東，等.碳纖維增強復(fù)合材料電阻率-溫度特性研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2001，23（12）：5-8.

[8]李華昌.碳纖維及其復(fù)合材料電阻率測試方法[J].宇航材料工藝，1996，26（6）：44-48

[9]陳則韶，錢 軍，葉一火.復(fù)合材料等效導(dǎo)熱系數(shù)的理論推算[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報，1992，22（4）：416-424.

[10]沈蓉影.碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)研究[J].材料工程，1993（3）：4-5.

（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?；究蒲袠I(yè)務(wù)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.