聞 貞，張國亮，蔣 麒，李永存，郭章新，欒云博

（太原理工大學機械與運載工程學院，山西 太原 030024）

碳纖維復合材料（carbon-fibre reinforced composites，CFRP）具有輕質(zhì)、高強、高韌、耐腐蝕、耐高溫、可設計性強等優(yōu)異特性，在軌道交通、新能源、火箭導彈以及航空航天（如飛機蒙皮、高空飛艇、發(fā)動機等）等領域具有重要應用價值[1–2]。然而，在某些應用領域中，碳纖維復合材料面臨極端服役環(huán)境，從而對其性能提出了極其嚴苛的要求。例如，作為飛機蒙皮或高空飛艇中的關鍵材料，碳纖維復合材料時常遭遇低溫環(huán)境和結冰問題，不僅引起飛行器表面平整度、外形、氣動布局的改變[3–4]以及重量的增加，導致不可預知的飛行問題，而且由于纖維與基體的熱膨脹系數(shù)差異較大，在低溫環(huán)境中還可能出現(xiàn)收縮不協(xié)調(diào)導致復合材料內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，進而引發(fā)災難性破壞[5]。因此，調(diào)控碳纖維復合材料在低溫環(huán)境下的力學性能，并實現(xiàn)其在低溫環(huán)境下的除冰功能是非常必要的，這對于保障碳纖維復合材料結構件，尤其是應用于高空飛行器結構件中的碳纖維復合材料服役安全性具有重大意義。

在低溫除冰方面，當前最常用的機翼除冰方法有熱氣除冰、化學除冰、機械除冰和電熱除冰等[6–8]。熱氣除冰主要利用發(fā)動機的熱氣加熱進行除冰，但是可能會降低發(fā)動機的推力。化學除冰是通過噴涂防冰液等進行除冰，例如，Xue 等[9]開發(fā)出聚二甲基硅氧烷(PDMS)/TiO2納米復合材料，將其作為犧牲層噴涂在基材上，一旦在超疏水表面形成冰，便會導致犧牲層自動脫離，達到除冰效果，但是這種方法存在涂層壽命較短、需要重復噴涂的問題。電加熱除冰是將加熱墊布置在需要保護的部件表面，以代替熱氣除冰，在其服役期間可重復利用。然而，現(xiàn)在的電加熱除冰技術尚不成熟，在民用飛機上的應用較少，尤其是機翼表面很難布置加熱墊，因此需要進一步深入研究。

不銹鋼超薄帶，又名手撕鋼（hand-torn steel，HTS），是一種強度高、柔韌性良好、導電率高的金屬材料，在航天航空等高精尖領域具有重要應用[10]。手撕鋼是一種各向同性材料，將手撕鋼與碳纖維材料復合，有望彌補各向異性碳纖維層合板在某些方向上的性能短板，從而有效地增強碳纖維復合材料的綜合力學性能。此外，手撕鋼作為即時發(fā)熱材料，將其與碳纖維材料復合不僅能夠?qū)崿F(xiàn)其整體溫度調(diào)控，改善材料在低溫服役環(huán)境下的力學性能，而且通過發(fā)揮其致熱功能，可能實現(xiàn)飛機機翼等結構件表面的快速除冰。將碳纖維與手撕鋼相結合，形成碳纖維-金屬復合材料，發(fā)揮纖維和金屬的優(yōu)點，不僅可以實現(xiàn)飛行器的輕量化設計，還能夠有效避免飛行器因表面結構件結冰而造成的安全事故。

目前，學者們已經(jīng)對纖維-金屬層合板進行了相關研究[11–13]。例如，李艷[11]采用陽極氧化法和熱壓成型法制備碳纖維金屬鋁層合板和碳纖維金屬鈦層合板，結果表明碳纖維金屬鈦層合板相比碳纖維金屬鋁層合板具有更好的力學性能，這是由添加金屬種類所決定的。馬其華等[12]制備了金屬-CFRP 混合管，發(fā)現(xiàn)CFRP 與金屬管相互協(xié)調(diào)可提升整體的承載能力，改善整個混合結構的能量吸收能力。研究表明，溫度對纖維復合材料的力學性能有一定程度的影響[14–15]。然而，已有研究主要針對纖維-金屬復合材料在常溫環(huán)境下的力學性能，對于纖維-金屬復合材料的電流驅(qū)動溫度調(diào)節(jié)方案，及其在電流致熱效應調(diào)控下的力學性能和除冰功能尚缺乏深入研究。

為此，本研究通過設計和裁剪不同形狀的手撕鋼，采用鋪層固化方法制備“碳纖維預浸料”、“碳纖維預浸料-未裁剪手撕鋼”和“碳纖維預浸料-弓字形手撕鋼”3 種復合材料，通過通電致熱試驗、三點彎曲性能測試和通電致熱除冰測試，探索電流通路和電流強度引起的致熱效應對復合材料力學性能和除冰功能的影響，以期為低溫服役環(huán)境下碳纖維復合材料的力學性能優(yōu)化和除冰功能實現(xiàn)提供指導，研究結果有望在航天航空等領域得到重要應用。

1 樣品制備

1.1 主要實驗原料

本研究采用的CFRP 為T300 單向碳纖維增強環(huán)氧樹脂薄層預浸料，型號為USN 20000（碳纖維與環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為6∶4），購自威海光威集團有限責任公司；手撕鋼超薄帶購自上海宏偉有限公司。材料參數(shù)如表1 所示。

表1 材料的基本屬性Table 1 Basic material properties

1.2 三點彎曲樣品制備

為了研究電流致熱效應對材料力學性能的影響，將加熱層與支撐層合并，即采用2 層碳纖維預浸料和1 層手撕鋼交替疊層鋪設，共11 層，如圖1(a)所示，其中預浸料采用單向鋪層。加熱層手撕鋼起支撐和通電加熱作用，另外兩層手撕鋼則主要起支撐作用。

圖1 三點彎曲層合板鋪層設計方案Fig.1 Lay-up design scheme of three-point bending laminate

根據(jù)三點彎曲測試標準《纖維金屬層板彎曲性能試驗方法》（GB/T 41049—2021），將樣品尺寸設計為15 mm×80 mm，對加熱層手撕鋼進行裁剪處理，形成寬度約為3 mm 的“弓字形”電流加熱通路，如圖1(b)所示。采用鋪層固化方法制備樣品：(1) 將碳纖維預浸料和手撕鋼裁剪成合適的尺寸并解凍6 h；(2) 按照鋪層方案逐層鋪設樣品；(3) 將樣品進行模壓和抽真空消泡處理，并在干燥箱中高溫固化，干燥箱中的溫度先以1～2 ℃/min 的速率由室溫升至120 ℃并保溫90 min，然后以1～2 ℃/min 的速率降至60 ℃以下進行脫模處理。所有樣品均采用相同的制備工藝。最終制備出“碳纖維預浸料”、“碳纖維預浸料-未裁剪手撕鋼”和“碳纖維預浸料-弓字形手撕鋼”3 組樣品，如圖1(c)所示。

1.3 通電致熱除冰樣品制備

按照圖2(a)所示形狀將手撕鋼裁剪成“弓字形”，以研究電流通路寬度（a）對致熱效應的影響。為獲取加熱層溫度，按照圖1(a)中第3～11 層方案，制備尺寸為100 mm×100 mm 的層合板，如圖2(b)～圖2(f)所示，其中a分別為5、10、15 和20 mm。此外，為了驗證除冰功能，按照圖1(a)中第1～11 層方案制備電流通路寬度為10 mm 的樣品。

圖2 不同電流通路寬度的手撕鋼層合板Fig.2 Hand-torn steel laminates with different current path widths

2 實驗測試

對制備的樣品進行測試，先對碳纖維-弓字形手撕鋼長方形層合板通入不同的電流，測試其力學性能，然后對正方形層合板進行通電致熱和除冰功能測試。

2.1 通電致熱和三點彎曲測試

為研究電流強度對材料力學性能的影響，將樣品接入電路中通電加熱，如圖3(a)所示，通過調(diào)壓器（型號TDGC2-0.5 kVA）控制輸出電壓，調(diào)控樣品中的電流大?。ㄒ姳?），利用紅外熱成像儀（型號FLIR C2，測量誤差±2 ℃，測量范圍-20～180 ℃）采集樣品表面溫度數(shù)據(jù)，當樣品表面溫度達到穩(wěn)態(tài)后，采用石棉對樣品進行保溫處理，然后斷電，并立即在萬能試驗機（型號STD5000）上進行三點彎曲性能測試（如圖3(b)所示），并與碳纖維預浸料-未裁剪手撕鋼樣品進行對比。測試中，跨距為40 mm，加載速率為2 mm/min，每組樣品進行3 次測試，最終測試結果為多次測量的平均值。

圖3 三點彎曲樣品通電實驗和力學性能測試Fig.3 Three-point bending sample energization test and mechanical property test

表2 三點彎曲樣品通電方案Table 2 Three-point bending sample energization scheme

2.2 電流致熱除冰升溫特性測試

為測試碳纖維預浸料-弓字形手撕鋼復合材料的電流致熱除冰功能，將樣品接入如圖3(a)所示的電路中，調(diào)節(jié)調(diào)壓器，使樣品中的電流依次增大（間隔約為0.5 A），通電方案見表3，利用紅外熱成像儀測量樣品表面溫度，記錄樣品在不同電流下的穩(wěn)態(tài)溫度。此外，對電流通路寬度為10 mm 的11 層除冰驗證樣品的升溫過程和除冰功能進行測試。

表3 電流致熱樣品通電方案Table 3 Energizing samples with current heating

3 結果與討論

3.1 電流通路和電流強度對復合材料力學性能的影響

對3 種復合材料在未通電條件下進行三點彎曲性能測試，結果如圖4 所示。本研究主要考慮比強度和比吸能兩方面因素，其中，比強度是材料的強度與其表觀密度之比，而比吸能ESA的計算公式為

圖4 3 種樣品的三點彎曲測試結果Fig.4 Three-point bending test results of three kinds of samples

式中：F為三點彎曲載荷；x為壓頭位移；x0為破壞位移（載荷下降30%對應的壓頭位移）；m為樣品的表觀密度，純碳纖維預浸料、碳纖維預浸料-未裁剪手撕鋼、碳纖維預浸料-弓形手撕鋼復合材料的表觀密度分別為1.80、2.03、2.02 g/cm3。圖4(a)表明，3 種復合材料的應力-應變曲線變化趨勢相同，達到彎曲強度后，載荷迅速下降，復合材料發(fā)生破壞。由圖4(b)和圖4(c)可知：與純碳纖維預浸料復合材料相比，碳纖維預浸料-未裁剪手撕鋼復合材料的比強度有所提升（由0.817 N·m/kg 提升至0.876 N·m/kg），但是比吸能有所降低（由412.9 J/kg 降低為359.2 J/kg），碳纖維預浸料-弓字形手撕鋼復合材料的比強度雖然有所降低（由0.817 N·m/kg 降為0.733 N·m/kg），但是破壞應變顯著增大，延緩了復合材料的破壞，從而使其比吸能略有提升（由412.9 J/kg 提升為414.6 J/kg）。對比碳纖維預浸料-未裁剪手撕鋼復合材料與碳纖維預浸料-弓字形手撕鋼復合材料，可以看出，后者的比強度降低，但比吸能提高。這說明加入未裁剪的手撕鋼可顯著提升碳纖維預浸料復合材料的強度，加入裁剪的手撕鋼可在一定程度上提升碳纖維預浸料復合材料的韌性。下面將對該實驗結果進行進一步的機理分析。

在純碳纖維預浸料復合材料的基礎上添加未裁剪手撕鋼后，比強度得到提升，而添加裁剪手撕鋼后比強度有所降低，這可能是由于：(1) 手撕鋼具有良好的強度和柔性，有助于提升復合材料的整體強度；(2) 與碳纖維預浸料不同的是（沿纖維方向的承載能力顯著高于垂直纖維方向的承載能力），手撕鋼是各向同性材料，能夠很好地承載并傳遞層間應力，從而使其整體強度得到提升；(3) 裁剪后的手撕鋼由于相鄰通路間含有間隙，間隙處無法承受和傳遞載荷，且材料質(zhì)量增加，致使其比強度有所降低。

從吸能方面來看，碳纖維預浸料-弓字形手撕鋼層合板的比吸能顯著提升，而碳纖維預浸料-未裁剪手撕鋼層合板的比吸能有所降低，其原因可能是：(1) 對于碳纖維預浸料-未裁剪手撕鋼層合板，雖然強度得到提高，但是極限應變減低（手撕鋼的極限應變低于碳纖維預浸料的極限應變），且質(zhì)量增加導致其比吸能降低；(2) 對于碳纖維預浸料-弓字形手撕鋼層合板，裁剪手撕鋼留下間隙，此處的碳纖維預浸料將在固化過程中結合到一起，從而在材料破壞過程中形成更多的斷裂面，提高材料的能量吸收特性。

上述分析表明，碳纖維預浸料-弓字形手撕鋼層合板與純碳纖維預浸料層合板相比，比強度降低，比吸能顯著提升，即可以在一定程度上延緩層合板的破壞，同時吸收更多能量以發(fā)揮其承載和防護作用。下面對碳纖維預浸料-手撕鋼復合材料在不同電流作用下的力學性能做進一步研究。

分別對碳纖維預浸料-弓字形手撕鋼層合板在不同電流強度下的力學性能進行測試，并與碳纖維預浸料-未裁剪手撕鋼層合板（不通電）的力學性能進行對比分析，結果如圖5 所示?？梢钥闯?，通電后碳纖維預浸料-弓字形手撕鋼層合板的比強度和比吸能提高，但是隨著電流強度增加，比強度和比吸能降低。通電不僅能夠提升碳纖維預浸料-手撕鋼復合材料的強度，而且增大破壞時的極限應變，使其在破壞過程中吸收更多的能量，例如： 通入0.5 A 的電流后，比強度大幅提升（由0.733 N·m/kg 提高至0.957 N·m/kg），甚至超過了碳纖維預浸料-未裁剪手撕鋼層合板，且變形伸長量較大，通電后碳纖維預浸料-弓字形手撕鋼層合板的比吸能顯著提升（由414.6 J/kg 降低為579.4 J/kg），相對于純碳纖維預浸料層合板，比強度和比吸能分別提升17.2% 和40.3%。這可能是由于通電后樣品溫度上升，達到一定溫度時預浸料中的環(huán)氧樹脂基體發(fā)生鏈段重排并進一步固化，導致環(huán)氧樹脂分子鏈的交聯(lián)密度增加[14]，增強了碳纖維與樹脂之間的結合強度，從而提高了結構整體的強度和能量吸收能力。但是，隨著電流強度的增加，樣品溫度過高會引起部分分子鏈斷裂[15]，從而降低層合板的強度和能量吸收特性。因此，需要選擇合適的電流，以滿足實際應用中對層合板強度和吸能特性的要求。

綜上所述，在純碳纖維預浸料中加入手撕鋼會提升材料的力學性能，添加經(jīng)過裁剪處理的手撕鋼后，與由純碳纖維預浸料制備的樣品相比，雖然比強度有所下降，但是比吸能顯著提升。通電對于碳纖維-手撕鋼復合材料的力學性能也有重要影響，通過調(diào)控電流強度可實現(xiàn)強度和能量吸收特性的優(yōu)化。

3.2 碳纖維-手撕鋼層合板的電流致熱除冰功能

為了實現(xiàn)碳纖維-手撕鋼層合板電流致熱除冰功能，測試得到具有不同電流通路寬度（“弓”字形手撕鋼寬度）的碳纖維-手撕鋼層合板在通電后的穩(wěn)態(tài)溫度，結果如圖6 所示。由圖6(a)可知，隨著電流通路寬度的減小，表面溫度的上升趨勢存在一定的差異。其中：碳纖維預浸料-未裁剪手撕鋼樣品通入電流后，溫度幾乎不變，可能是由于整片手撕鋼的電阻很小，導致發(fā)熱功率很小，樣品表面升溫過程和散熱過程幾乎處于動態(tài)平衡狀態(tài)，因此表面溫度基本維持在某一穩(wěn)定值；碳纖維預浸料-弓字形手撕鋼樣品的電阻顯著增大，通電后樣品表面溫度隨著電流增加而升高。

圖6 不同電流通路寬度層合板表面穩(wěn)態(tài)溫度隨電流變化和溫度場分布Fig.6 Steady-state temperature variation of laminate surface with current and temperature field distribution for different current path widths

此外，還發(fā)現(xiàn)當電流一定時，隨著電流通路寬度的減小，樣品表面穩(wěn)態(tài)溫度逐漸升高，樣品表面溫度場逐漸均勻。當電流達到2.5 A 時，電流通路寬度為20、15、10 mm 的樣品的表面溫度分別達到65.7、78.5、101.0 ℃，如圖6(b)～圖6(d)所示。需要說明的是，當電流通路寬度為5 mm 時，未能完成電流為2.5 A 的實驗，這是因為隨著電流的增大，溫度迅速上升，當電流為1.6 A 時，樣品表面溫度達到152.0 ℃，如圖6(e)所示，當電流達到1.8 A 時，溫度超過180 ℃，且一段時間后樣品發(fā)生變形損壞。圖6(b)～圖6(e)的結果表明：當手撕鋼寬度為15 和20 mm 時，溫度場分布均較為分散，且溫度提升緩慢，不利于大面積除冰；隨著電流通路寬度減小，樣品表面溫度場趨于均勻；當手撕鋼寬度為5 和10 mm時，溫度場分布較為均勻，可以實現(xiàn)大面積除冰。結合3.1 節(jié)的力學性能分析，可以發(fā)現(xiàn)：碳纖維預浸料-弓字形手撕鋼層合板中的裂紋或缺陷增加，導致力學性能下降；電流通路為10 mm 的碳纖維-手撕鋼層合板相比于其他層合板能夠在保證良好力學性能的情況下，達到大面積除冰效果。

在2.5 A 的電流下，電流通路寬度為10 mm 的樣品的加熱功率為2 kW/m2，其溫度變化過程如圖7(a)～圖7(f)所示。可見，接通電路后，樣品表面溫度迅速提升到49 ℃，如圖7(a)所示，但初始熱量分布不均勻；隨著時間的延長，樣品表面溫度變化逐漸減緩；40 s 時最高溫度達到86.6 ℃，如圖7(d)所示，樣品表面高溫區(qū)域趨于均勻；120 s 時，最高溫度基本穩(wěn)定在94.9 ℃，樣品中間區(qū)域的溫度相對均勻，更有利于大范圍除冰。此外，將邊長約為15 mm 的冰塊置于樣品表面，大約5 min 后冰塊完全融化，表明手撕鋼鋪層材料具有很好的除冰功能。

圖7 電流通路寬度為10 mm 的層合板通入2.5 A 電流后不同時刻樣品表面的溫度場Fig.7 Temperature field on the surface of a laminate with a current path width of 10 mm after applying 2.5 A current at different moments

上述針對碳纖維-手撕鋼復合材料的電流致熱除冰功能研究表明，不同電流通路寬度對復合材料電流致熱功能具有重要影響，電流通路寬度減小，復合材料在相同電流下的致熱效應提升，可用來通電致熱除冰。此外，電流強度對于碳纖維-手撕鋼復合材料的致熱效應也有重要影響，增加電流強度會引起復合材料溫度過高，可能引起材料破壞失效。通過調(diào)控手撕鋼尺寸，在碳纖維-手撕鋼復合材料的力學性能與除冰功能之間找到平衡點。實驗表明，手撕鋼寬度為10 mm 的碳纖維-手撕鋼復合材料可以在不降低材料性能的基礎上實現(xiàn)通電除冰的目的。

4 結論與展望

設計和制備了碳纖維預浸料、碳纖維預浸料-手撕鋼、碳纖維預浸料-弓字形手撕鋼3 種復合材料，通過通電實驗和三點彎曲測試，獲得了手撕鋼電流通路和電流強度對復合材料力學性能的影響，據(jù)此設計了具有不同電流通路寬度的碳纖維-手撕鋼復合材料，研究了其電流致熱除冰功能，得到如下結論。

(1) 在純碳纖維預浸料層合板中加入未裁剪手撕鋼會提升比強度，加入弓字形手撕鋼會在比強度有所降低的情況下提升能量吸收特性。電流強度對碳纖維-手撕鋼復合材料的力學性能也有重要影響，施加電流時，其比強度和比吸能顯著提升。因此，在實際應用過程中，可通過調(diào)節(jié)電流強度優(yōu)化復合材料的強度和能量吸收特性，以滿足不同領域?qū)秃喜牧狭W性能的要求，從而為該類復合材料的應用提供積極指導。

(2) 碳纖維-手撕鋼復合材料的電流致熱除冰特性與其中手撕鋼的電流通路寬度有密切聯(lián)系。隨著電流通路寬度的減小，相同電流強度下復合材料的致熱溫度及其均勻性提高，但是隨著電流強度提升，致熱溫度過高會引起層合板破壞失效。通過調(diào)控手撕鋼的尺寸，可以平衡其力學性能和除冰功能。相對于其他尺寸，電流通路寬度為10 mm 的碳纖維-手撕鋼層合板在保證材料性能和安全性的前提下，實現(xiàn)通電致熱和快速除冰。這對于碳纖維-金屬復合材料的結構設計和功能應用提供了參考依據(jù)，并有望在航天航空等領域得到應用。

本研究對于電流強度和電流通路寬度變化下復合材料的測試次數(shù)較少，實驗環(huán)境為室溫，且僅對比了復合材料的強度和吸能，研究結果具有一定的局限性。后續(xù)研究將細化電流通路寬度和電流強度，同時對剛度等其他重要力學性能進行分析，結合實際應用場景，增加風洞試驗，研究復合材料在不同條件下的力學性能和致熱效果，實現(xiàn)金屬-碳纖維層合板力學性能和功能特性優(yōu)化。