电热耦合作用对含预置损伤CFRP层合板剩余强度的影响.pdf

塑料工业 第 卷第 期 年 月材料测试与 应 用电热耦合作用对含预置损伤 层合板剩余强度的影响牛一凡 卢 操 姚佳伟(中国民航大学中欧航空工程师学院 天津)摘要:基于实验室自制电热耦合测试平台 获得含预置分层与预置纤维断裂碳纤维增强树脂基复合材料()层合板的表面电热温度场分布 并对不同电热耦合作用后的复合材料层合板试样进行了弯曲性能测试 结合失效模式分析 探究了电热耦合作用对含预置损伤 层合板剩余强度的影响及作用机制 研究结果表明:不同的损伤形式对电热响应温度场存在明显影响 相比于完好试样 分层试样与纤维断裂试样的弯曲性能和树脂基体的性能更为相关 电热耦合作用导致的后固化效应对两类预置损伤试样的性能提升效果更为明显 缓解了由预置损伤导致的性能劣化关键词:碳纤维增强树脂基复合材料 预置损伤 电热耦合作用 剩余强度 弯曲性能中图分类号:文献标识码:文章编号:():/开放科学(资源服务)标识码():():().:碳纤维增强树脂基复合材料()由于其比强度高、可设计性强、易加工成型等特点 被广泛应用于航空航天领域 在服役期间 由于复合材料机身表面的静电荷累积以及飞机运行的大量电子设备 使得复合材料内部易形成相对较弱的安培级电流 电流通过复合材料时带来的电热耦合作用可能对材料造成电热损伤 严重时影响飞机安全因此 目前关于复合材料电热性能与电热耦合作用后力学性能的变化引起研究学者的广泛关注 等发现 对 复合材料施加较小的直流电可以提升其疲劳性能 而当电流升高并超过一定数值时其疲劳性能下降 等对 复合材料施加了安培级直流电流 发现试样的弯曲强度和弯曲模量均随着电流强度的增加先减小再小幅上升 等对 复合材料沿厚度方向施加 和 的直流电流 发现随着电流强度的增大和通电时间的延长 弯曲强度逐步下降另一方面 复合材料在制造和运输过程中 由于受到工艺缺陷和外部撞击等因素的影响 往往会出现界面分层、纤维断裂及基体开裂等内部损伤 这些损伤的萌生和扩展会很大程度影响复合材料的力学性能 导致安全问题发生 目前已有大量关于含损伤复合材料剩余强度评估的实验和有限元计算研究 周睿等对含有不同数量、位置和尺寸预中国民用航空局安全能力建设基金项目(/)中央高校基本科研业务费中国民航大学专项资助项目()通信作者:牛一凡 教授 硕士生导师 研究方向为纤维增强复合材料性能表征及优化 第 卷第 期牛一凡 等:电热耦合作用对含预置损伤 层合板剩余强度的影响制分层缺陷的复合材料试样进行压缩实验 对比分析了不同损伤形式对试样压缩性能的影响 等对多重分层与复合材料压缩、拉伸、弯曲强度的关系进行了探究 发现多重大尺寸分层对试件的抗压、抗弯强度和临界屈曲载荷有显著影响 本课题组在前期对含有不同位置、角度和长度预置裂纹的 复合材料层合板进行三点弯曲实验 结合微观表征研究了不同裂纹参数对层合板弯曲性能和失效方式的影响 并通过有限元模拟建立了裂纹长度与试样弯曲强度和模量之间的关系模型复合材料在服役过程中 电热耦合作用与不同损伤形式(纤维断裂、层间分层等)双重因素往往会叠加出现 对其造成更复杂的影响 导致剩余强度无法预估 而目前相关研究未见报道 含损伤复合材料在受到电流作用后的响应形式和性能变化亟待研究因此 本文将通过实验方法 针对含有纤维断裂和层间分层两种预置损伤的复合材料 在安培级电流作用后的剩余强度和损伤形式展开研究 研究结果将为复合材料结构安全性评估提供一定的理论依据 实验部分 实验原料碳纤维/环氧树脂复合材料单向预浸料:/纤维体积分数约为 天津汉硕高新材料有限公司 使用厚度约为 的聚四氟乙烯薄膜()用于预置分层损伤 材料制备基于热压成型法制备复合材料层合板 所用设备为大连樱田机械有限公司生产的 型热压罐 铺层方式为 层单向铺层()热压工艺为:室温下抽真空 真空度不低于 以/的速率升温 温度达到 时加压至 继续升温至 保温保压 保持过程结束后 以不大于 /的速度冷却至 以下 制备所得层合板厚度约为 含预置分层复合材料层合板在/层中心处铺放宽为 的 薄膜 形成预置分层 如图 所示 含预置纤维断裂复合材料层合板在第二层预浸料处 沿垂直于纤维的方向剪断 形成沿宽度方向贯穿的预置纤维断裂 如图 所示 后文中 以“”表示完好试样“”表示预置分层试样“”表示预置纤维断裂试样 利用精密水切将层合板切割成尺寸大小为 的试样 进行后续测试预置分层损伤试样预置纤维断裂试样图 三点弯曲预置分层试样与预置纤维断裂试样示意图 电热耦合实验采用直流电源(科亿维电器(天津)有限公司)、红外热像仪(飞础科智慧科技(上海)有限公司)、自制通电可调试样夹具搭建电热耦合测试平台 如图 所示 基于该平台 对完好试样 预置分层、预置纤维断裂试样进行电热耦合处理 首先 利用砂纸打磨待测试样两端 再涂抹导电银胶以降低通电时与电极之间产生的接触电阻 其次 将试样接入夹具 分别加载、电流 通电时间分别为、最后 利用红外热像仪实时记录试样表面温度场 结果如图 所示 每组试样至少为 个图 电热耦合平台示意图 塑 料 工 业 年 图 试样温度分布红外热像图与 图 弯曲性能测试根据 标准 利用 型万能电子材料试验机 对电热耦合作用后的三种试样进行弯曲性能测试 加载速率为 /试样尺寸为 每组实验进行 次弯曲强度与模量的相对变化率:通过与未通电试样的弯曲强度与模量进行对比 更直观地反映出通电后试样弯曲强度与模量的变化情况 弯曲强度和模量的相对变化率计算公式如下:()()式中 弯曲强度变化率 弯曲模量变化率和分别为未通电试样的弯曲强度与弯曲模量和分别为通电 时间后试样的弯曲强度与弯曲模量 断裂形貌表征采用日本 公司 型扫描电子显微镜()观察试样弯曲断口微观形貌 分析失效模式 结果与讨论 电热耦合作用下 层合板表面温度场不同电流强度下三种复合材料层合板试样表面中心线处 稳态温度沿长度方向分布曲线如图 所示可以发现:三种试样的表面温度均随着电流强度的增加而升高 且均呈现出“中间高两边低”的趋势这是由于试样内部在通电后短时间内产生了大量焦耳热 导致试样发生了膨胀 一方面试样由于膨胀被挤压发生了微变形 增大了内部纤维的弯曲程度增加了纤维间的电接触点数目 使得试样内部的导电网络在中心部分的电阻成分增多 在宏观上体现为试样中心部位温度升高 另一方面膨胀使试样的两端与铜电极接触更加紧密 减小了接触电阻图 三种试样在不同电流下的温度分布曲线 对比三种试样在相同电流强度下的温度分布曲线 可以看到:首先 沿试样长度方向 完好试样中心处存在温度平台 约在/的部位处 分层试样中心处的温度平台更宽且更加平缓 而断裂试样的中心处为最高温度位置 无明显温度平台 这是由于碳纤维断裂处电流通路被阻断 电阻升高 产生更多了焦耳热 其次 纤维断裂试样的中心最高温度大于完好试样 而分层试样的中心温度相较完好试样呈下降趋势 这是由于聚四氟乙烯薄膜具有优异的电绝缘性使得试样内部中心部位的电接触点数目减少 导致薄膜位置(宽 )的电阻稍小 温度降低 分层试样两端的温度大于断裂试样 再大于完好试样 这是因为分层试样表面温度降低 材料的膨胀程度低于同电流下的完好试样 所以两端的接触电阻较高于完好试样 在宏观上体现为两端温度较高 而断裂试样虽然温度更高 理论上接触电阻更小 但由于中心处的温度较高 热量传递给两端 导致其两端温度同样高于完好试样 电热耦合作用下 层合板弯曲性能复合材料在通电过程中 电流、焦耳热以及产热方式共同对材料性能产生影响 具体为:复合材料中树脂为绝缘体 电流通过纤维产生焦耳热 热量经纤第 卷第 期牛一凡 等:电热耦合作用对含预置损伤 层合板剩余强度的影响维/树脂界面传递给树脂 本文通过研究不同电流强度和通电时间下复合材料的剩余强度来研究不同电热耦合作用对复合材料力学性能的影响图 与图 分别为不同电热耦合作用后三种复合材料层合板试样的弯曲强度与弯曲模量及二者变化率 三种试样的弯曲强度与弯曲模量随着通电时间的增加总体呈现出先增后减的趋势 仅当完好试样处于 电流下时 其弯曲强度与模量呈现出逐步递减的趋势 电流下试样弯曲强度 电流下试样弯曲模量 电流下试样弯曲强度 电流下试样弯曲模量 电流下试样弯曲强度 电流下试样弯曲模量图 三种试样在不同通电时间下通入不同电流后的弯曲强度与弯曲模量 完好试样的弯曲强度和弯曲模量分别在 与 的电热耦合作用后有最大提升 分别提升了 、和 、由于树脂在电热作用下发生了后固化 交联度增加 力学性能得到改善 在 的电热作用下弯曲性能逐步递减作用 后弯曲强度与模量分别下降了 与 这是由于复合材料中的树脂暴露在空气中在较高的电热温度场(约 )作用下发生热氧化和热老化 分子链断裂 性能下降分层试样的弯曲强度和弯曲模量在、的电流下分别作用、后有最大提升 下提 升 了 与 下 提 升 了 与 下仅提升了 和 纤维断裂试样的弯曲强度分别在 、和 下提升最大 分别提升了 、与 弯曲模量在通电 后提升最大塑 料 工 业 年 分别提升了 、和 综上可以看出 弯曲性能提升对应的通电时间随着电流强度的增大而有所下降 这是由于在较高温度下 树脂热氧化和热老化程度加剧 可在更短的时间内与后固化作用引起的性能提升相抵消 电流下试样弯曲强度变化率 电流下试样弯曲模量变化率 电流下试样弯曲强度变化率 电流下试样弯曲模量变化率 电流下试样弯曲强度变化率 电流下试样弯曲模量变化率图 三种试样在不同通电时间下通入不同电流后的弯曲强度与弯曲模量变化情况 同时 可以发现 未进行电热耦合作用的分层试样与纤维断裂试样的弯曲强度比完好试样低 与 在本论文所设置的电热耦合作用条件下 预置损伤试样与完好试样的弯曲强度差距减小 说明电热耦合作用可以缓解分层损伤与纤维断裂损伤导致的性能劣化作用 扫描电镜微观形貌表征不同类型试样的弯曲失效模式不尽相同 如图 所示 完好试样受到弯曲载荷后 上表面受到压应力 形成微裂纹 由于压应力沿着厚度方向施加裂纹随着载荷的不断增加先沿着厚度方向扩展 后在剪切应力的作用下沿层间扩展 不再向下扩展 随着压应力的不断增大 若试样在裂纹层间扩展时还未失效 在薄弱位置继续沿厚度方向扩展至中性面 此时试样整体失效 如图 所示 分层试样被聚四氟乙烯薄膜分成上下两部分 上部受到压应力作用 形成微裂纹后 裂纹沿着厚度方向向下扩展 下表面开始在拉应力的作用下产生裂纹 并沿着厚度方向向上扩展 但并未导致材料整体失效 预置分层在剪切应力下的横向扩展是失效的主要原因 如图 所示 断第 卷第 期牛一凡 等:电热耦合作用对含预置损伤 层合板剩余强度的影响裂试样与完好试样的断口形貌类似 裂纹均是先由上表面沿着厚度方向扩展 但由于预置纤维断裂的部位存在于上表面的受压部位 导致试样在低于完好试样的弯曲载荷下便失效 故不存在再次沿厚度方向扩展的裂纹完好试样断口形貌分层试样断口形貌断裂试样断口形貌图 不同类型试样弯曲断口形貌的 图 从失效模式分析可以看出 相比于完好试样 分层试样与纤维断裂试样的最终失效机制均与裂纹横向扩展有关 与纤维断裂无关 因此 可以认为二者弯曲性能和树脂基体性能更为相关 电热耦合作用导致的树脂后固化效用 对两类预置损伤试样的性能提升效果更为明显 结论)基于实验室自制电热耦合测试平台 对完好试样、含预置纤维断裂损伤、含预置分层损伤三种试样的电热表面温度场进行了测量 发现三种试样温度分布曲线均呈现出“中间高两边低”的趋势 完好试样与预置分层试样表面存在明显温度平台 而纤维断裂试样无温度平台 且表面温度最高)对电热耦合作用后的三种复合材料试样进行了三点弯曲实验 发现除 电流下完好试样外 其余试样的弯曲强度和模量均随着通电时间的延长呈现出先增后减的趋势 这是由于树脂后固化作用与热氧化、热老化作用相互竞争的结果 在本论文的电热耦合作用条件下 电热耦合作用可以缓解分层损伤和纤维断裂损伤带来的性能劣化)通过断裂形貌表征获得了三种复合材料试样的失效模式 发现相比于完好试样 分层试样与纤维断裂试样的弯曲性能和树脂基体的性能更为相关 因此 电热耦合作用导致的后固化效应对两类预置损伤试样的性能提升效果更为明显 缓解了由预置损伤导致的性能劣化参 考 文 献 冯志海 李俊宁 田跃龙 等.航天先进复合材料研究进展.复合材料学报 ():.():.:./.:.王志平 孙凌丰 路鹏程 等.电热作用对碳纤维/树脂复合材料界面应力的影响.复合材料学报 ():./.():.胡静 吴天航 巩翰林 等.雷击后飞机复合材料燃油箱蒙皮电热损伤特性研究.复合材料科学与工程():.():.():./.():.:.王士杰 孙泽玉 陶雷 等.泡沫对碳纤维复合材料抗低速冲击性能的影响.玻璃钢/复合材料():.(下转第 页)塑 料 工 业 年 .:.潘 祖 仁.悬 浮 聚 合 .北 京:化 学 工 业 出 版社.:.:.():.刘金霖 杨少平 李胜 等.耐热型高温热膨胀微球的制备及其发泡行为研究.浙江理工大学学报(自然科学版)():.:():.:.():.():.(本文于 收到)(上接第 页)./():.肖先林 王长金 赵桂平.碳纤维复合材料泡沫铝夹芯板的 冲 击 响 应 .振 动 与 冲 击 ():.():.李春晓.碳纤维及其复合材料在汽车领域的应用.新材料产业 ():.():.:.周睿 关志东 贾云超 等.分层缺陷对复合材料层板压缩性能的影响.北京航空航天大学学报 ():.():./.:.牛一凡 贾紫娇 朱晓峰.含预置裂纹的 层合板弯 曲 性 能 研 究 .塑 料 工 业 ():.():.曹振兴 矫维成 刘文博 等.利用碳纤维电热效应修复碳纤维复合材料界面.复合材料学报 ():.():.():.刘玉.湿热环境中环氧树脂的老化特性研究.重庆:重庆大学.:.(本文于 收到)