電熱載荷對修補碳纖維增強復(fù)合材料沖擊后壓縮性能的影響

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(1.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； 2.廣州飛機維修工程有限公司，廣州 510470)

電熱載荷對修補碳纖維增強復(fù)合材料沖擊后壓縮性能的影響

李娜1，張俊1，路鵬程1，王濤2，顏金2

(1.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；2.廣州飛機維修工程有限公司，廣州510470)

為了研究碳纖維復(fù)合材料(CFRP)修補結(jié)構(gòu)在電熱載荷環(huán)境下的沖擊性能，采用自制的電熱損傷測試平臺，測試了修補后CFRP層板在不同電流下試樣的表面溫度分布和電阻變化規(guī)律，對修補后CFRP層板進(jìn)行了低速沖擊和沖擊后剩余壓縮強度(CAI)測試，并對沖擊損傷失效特征進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明：低電流對修補后CFRP層板的抗沖擊性能影響較小，CAI呈現(xiàn)略微增長的趨勢；隨著電流強度的增加，電熱產(chǎn)生的高溫對修補界面層產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致材料抗沖擊性能減弱，CAI明顯降低。

復(fù)合材料修補； 電熱損傷； 低速沖擊； 剩余壓縮強度

1 引 言

碳纖維復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced polymer, CFRP)因其高比強度、比模量、高抗疲勞性和耐腐蝕性能良好等一系列的優(yōu)點，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。但是，復(fù)合材料層板受到?jīng)_擊后易產(chǎn)生損傷，并且往往表面損傷很小，而內(nèi)部卻損傷嚴(yán)重。復(fù)合材料層板在低速低能沖擊下的損傷破壞模式表現(xiàn)為基體開裂、基體擠壓、纖維斷裂、分層等。沖擊損傷使復(fù)合材料的強度和壽命大幅度下降，嚴(yán)重影響材料的使用[2-4]。因此，復(fù)合材料耐沖擊性能研究引起了國內(nèi)外眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。

對于復(fù)合材料損傷，國際通常采用補片修補的方法恢復(fù)材料的使用性能。相對于完整的結(jié)構(gòu)形式，修補后結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能恢復(fù)程度和耐環(huán)境性能均有降低。尤其CFRP復(fù)合材料修補搭接區(qū)域?qū)ζ凇C械、高低溫較為敏感，易造成修補區(qū)域結(jié)構(gòu)二次損傷，導(dǎo)致修補構(gòu)件強度恢復(fù)率下降。

電熱損傷是航空用CFRP結(jié)構(gòu)面臨的一種新的環(huán)境損傷機制。飛機在服役過程中易遭受多種電流威脅，如：①CFRP結(jié)構(gòu)件受到雷電掃掠時的雷擊電流；②飛機內(nèi)部的電子設(shè)備在CFRP結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生的感應(yīng)電流；③空氣中粒子與飛機表面摩擦出現(xiàn)靜電積累產(chǎn)生靜電泄放電流。研究表明CFRP受到電熱損傷后，抗壓強度會明顯降低[5-6]。同時，CFRP層板通電后將產(chǎn)生較大的溫度梯度，該溫度梯度將在層板平面內(nèi)垂直于電流的方向上引起較大的壓縮應(yīng)力[7-9]。修補后的層板改變了碳纖維網(wǎng)絡(luò)的電導(dǎo)通特性，其電-熱損傷和失效過程具有更復(fù)雜的多尺度特征和相互關(guān)聯(lián)性，極大地影響甚至決定了修補后CFRP復(fù)合材料的電熱響應(yīng)行為。因而，針對修補后層板的電熱損傷機理的相關(guān)研究就顯得尤為重要。本文采用QMW[10]小試樣，對修補后的層板加載不同強度電流載荷，測量不同電流強度下試樣的表面溫度和電阻變化，并對層板進(jìn)行沖擊后剩余壓縮強度測試，進(jìn)而研究電熱載荷對修補后層板的低速沖擊和沖擊后剩余壓縮性能的影響。

2 實 驗

2.1 實驗與材料

實驗采用T300/E51層合板，其纖維體積含量約60%，鋪層次序為[0/90]4s，單層厚度為0.34mm。采用熱壓罐固化成型，試樣尺寸為89 ×55mm×2.72mm，每組試樣件數(shù)為5件。

將層板逐層打磨3層。打磨后清潔修補區(qū)域，按照層板原始鋪層方向，將制備好的補片濕鋪于缺陷區(qū)域。鋪層完成后放入熱壓罐固化，固化溫度為95℃，固化時間為4h。具體打磨修補結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 層板修補結(jié)構(gòu)及打磨示意圖Fig.1 Schematic diagram of laminates sanding and repair structure

制備導(dǎo)電電極：在層板55mm長度兩端面分別熱噴涂鋁涂層，增加試樣端面的導(dǎo)電性，減少施加電熱載荷過程中端面的接觸電阻。噴涂工藝為：噴涂間距220mm，噴涂速度650mm/s。噴涂完成后將端面打磨平整，如圖2所示。

圖2 沖擊試樣端部噴涂處理(a) 噴涂前； (b) 噴涂后Fig.2 Spraying treatment of impact samples

2.2 電熱損傷實驗

采用自制電熱損傷實驗平臺對修補后的試樣分別加載5、10、15、20、25A直流電流，通電時間為2h。通過高精度紅外熱像儀對修補面中心區(qū)域進(jìn)行非接觸式溫度測量，測距為15mm，通過測量獲得的電極電壓與電分流器電流的比值計算試樣電阻，電熱損傷實驗設(shè)備如圖3所示。

圖3 電熱損傷實驗設(shè)備Fig.3 Electric-thermal damage test device

2.3 沖擊實驗

采用Instron9350落錘沖擊實驗機對試樣未修補面進(jìn)行低速沖擊試驗，沖擊頭為半球形，直徑為14mm，實驗時根據(jù)沖擊能量確定落錘高度，沖擊能量為8J。沖擊實驗完成后，使用水浸超聲C掃描檢測試件的沖擊損傷分布。

2.4 沖擊后壓縮實驗

圖4 CAI實驗夾具Fig.4 CAI test fixture

沖擊后壓縮實驗在Instron5982電子萬能試驗機上完成，實驗夾具見圖4所示，實驗結(jié)束后采用Olympus激光共聚焦顯微鏡對試樣斷面形貌進(jìn)行分析，判斷損傷模式。

3 結(jié)果與討論

3.1 修補后CFRP層板電熱特性分析

3.1.1通電溫度分析 由于碳纖維為導(dǎo)電體，樹脂基體為絕緣體，使得CFRP屬于電的不良導(dǎo)體，電流通過CFRP的導(dǎo)電通道(碳纖維)時，會產(chǎn)生大量的焦耳熱。電流加載過程中，層板修補中心區(qū)域表面溫度隨時間的變化規(guī)律如圖5所示。由圖可知，隨著電流強度的增加，表面溫度不斷升高，均在10min左右達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

圖5 層板在不同電流強度下的溫度-時間關(guān)系曲線Fig.5 Relationship among temperature- time of the laminates subjected to different current intensity

圖6 修補后層合板電阻-溫度-電流關(guān)系曲線Fig.6 Relationship among resistance-temperature- current of the laminates after repair

3.1.2電阻測試分析 修補后層板電阻隨加載電流的不同，其電阻變化規(guī)律如圖6所示。層板電阻隨著電流強度增加逐漸減小，呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)效應(yīng)。這是因為，經(jīng)高溫碳化及石墨化處理的碳纖維導(dǎo)電具有明顯的方向性，在高溫下其石墨片層中部分電子激發(fā)成為載流子，石墨層間電子遷移速率變大，導(dǎo)電性增強，電阻降低[11]。其次，由于環(huán)氧樹脂的包覆，在纖維束之間及層板層間部分纖維接觸不完全，高溫環(huán)境下自由電子在吸收能量后，能超越環(huán)氧樹脂在纖維束之間形成的電子傳輸壁壘，在纖維束之間及層間進(jìn)行躍遷，增強了自由電子在層板中的流動性能，使得CFRP層板電阻進(jìn)一步減小。

3.2 低速沖擊試驗結(jié)果

3.2.1外觀檢測 對不同強度電熱載荷處理后的CFRP試樣進(jìn)行低速沖擊損傷實驗，并對損傷情況進(jìn)行目測，典型的沖擊后試樣外觀損傷情況如圖7。

從圖7中可以看出，當(dāng)電流小于10A時，試樣正面凹坑不明顯，試樣背面有不同程度的開裂。電流大于10A，試樣正面能夠觀察到明顯的凹坑，試樣背面觀察到大面積的基體開裂現(xiàn)象，并呈現(xiàn)嚴(yán)重的外突狀。從圖7(a)、圖7(b)可以看出，修補后試樣較未修補試樣沖擊后損傷現(xiàn)象略明顯，說明修補后試樣較未修補試樣抗沖擊性能略有下降。從圖7(c)～(f)可以看出，隨著電流強度的增加，試樣正面凹坑深度呈增大趨勢，同時背面出現(xiàn)了大面積纖維斷裂和基體開裂，說明電熱載荷對修補試樣的抗沖擊性能造成影響。初步測量每組試樣內(nèi)外表面的沖擊損傷數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同電流載荷處理后層板沖擊損傷數(shù)據(jù)

3.2.2超聲C掃描無損檢測 為了研究不同電流載荷對修補后層板內(nèi)部損傷的影響，采用水浸超聲C掃描檢測設(shè)備分別對沖擊后試樣進(jìn)行無損檢測，無損檢測結(jié)果如圖8所示。

圖8 層板沖擊后超聲C掃描照片(a) 未修補-0A； (b) 修補-0A；(c) 修補-5A； (d) 修補-10A； (e) 修補-20A； (f) 修補-25AFig.8 Ultrasonic C-scanningFigure of laminates after impact(a) Unrepair-0A, (b) repair-0A, (c) repair-5A, (d) repair-10A, (e) repair-20A, (f) repair-25A

從圖中可以看出，修補后試樣較未修補試樣沖擊損傷面積稍大一些，這與外觀目測結(jié)果基本相符。當(dāng)加載的電流強度較小時，電熱載荷對修補后層板抗沖擊性能影響較小。隨著電流強度的增加，電熱效應(yīng)產(chǎn)生的高溫嚴(yán)重破壞了層板內(nèi)部結(jié)構(gòu)，沖擊后產(chǎn)生了不可見的內(nèi)部分層，使得修補后層板損傷區(qū)域遠(yuǎn)大于沖擊區(qū)域。這表明存在一個電流門檻值，對低于該門檻值處理的修補層板進(jìn)行沖擊破壞時，電熱載荷產(chǎn)生的熱量不足以對修補后層板內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，層板的損傷程度受電熱載荷影響較??；高于該電流門檻值時，電熱載荷產(chǎn)生的較高熱量使修補后層板內(nèi)部發(fā)生了高溫?zé)g作用，導(dǎo)致分層等形式的結(jié)構(gòu)損傷。電流越大，溫度越高，對層板的抗沖擊性能影響越大。其內(nèi)部產(chǎn)生的具體損傷面積見表2。

表2 層板沖擊內(nèi)部損傷面積數(shù)據(jù)

3.3 沖擊后壓縮實驗結(jié)果

圖9為試樣壓縮破壞后的側(cè)向表觀形貌照片，由圖可見，未修補試樣(圖9(a))破壞斷口較為規(guī)整，未出現(xiàn)明顯分層損傷，屈曲面積較小。對于修補后電加載試樣，壓縮失效首先出現(xiàn)在補片與母板搭接區(qū)域，失效端面出現(xiàn)了明顯分層，屈曲面積增加。因為沖擊造成了補片與母板連接界面分層，在試樣壓縮過程中這種內(nèi)部分層向邊緣橫向擴展，導(dǎo)致試樣整體壓縮失效。低電流強度處理后的試樣在壓縮過程中，截面分層現(xiàn)象不明顯，電熱對搭接界面損傷較小，壓縮曲屈面積較??；高電流強度處理后的修補試樣，截面分層現(xiàn)象較為嚴(yán)重，壓縮屈曲面積明顯增加。

圖9 沖擊后壓縮測試層板側(cè)向形貌(a) 未修補-0A； (b) 修補-0A；(c) 修補-5A； (d) 修補-10A； (e) 修補-15A；(f) 修補-20A； (g) 修補-25AFig.9 Fracture morphology of laminates after CAI test(a) Unrepair-0A, (b) repair-0A, (c) repair-5A, (d) repair-10A, (e) repair-15A, (f) repair-20A, (g) repair-25A

圖10 修補后層板電流-溫度-沖擊后剩余壓縮強度之間的關(guān)系Fig.10 Relationship among current-temperature-CAI of the laminates after repair

圖10為層板電流-表面溫度-沖擊后剩余壓縮強度關(guān)系圖。由圖可見，試樣沖擊后剩余壓縮強度隨電流載荷的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。當(dāng)電流載荷在10A以上時，電熱產(chǎn)生的表面溫度超過樹脂固化溫度(95℃)時，其剩余壓縮強度下降。結(jié)合上述C掃損傷面積及壓縮破壞機制，可認(rèn)為修補后層板電熱產(chǎn)生的溫度對補片與母板界面的粘接性能影響是雙向的。低電流強度產(chǎn)生的電熱效應(yīng)，對補片和母板的粘接性能影響較小，由于樹脂的后固化[12-13]，適當(dāng)提高了粘接強度，沖擊未造成嚴(yán)重的分層損傷。由于修補層板的補片與母板結(jié)合強度較未修補層板層間結(jié)合強度弱，高溫促使其粘接性能進(jìn)一步弱化，必然導(dǎo)致通電損傷在修補區(qū)域影響最大，補片與母板之間分層更容易橫向擴展，從而引起壓縮性能下降。

4 結(jié) 論

1.采用電熱損傷實驗平臺對修補后CFRP層板施加不同電流。隨電流強度的增加，層板表面升溫速率加快，層板表面穩(wěn)態(tài)溫度升高。

2.隨著層板表面溫度升高，層板電阻值下降，呈現(xiàn)明顯的負(fù)溫度系數(shù)效應(yīng)。

3.電熱載荷對修補后層板抗沖擊性能的影響存在一個電流門檻值。低于該門檻值時，層板的沖擊后損傷面積受電熱載荷影響較小；高于該電流門檻值時，電流越大，層板內(nèi)部溫度越高，層板損傷面積越大。

4.修補后層板CAI值隨電流強度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。其中，電熱載荷為5A時，修補后層板的CAI值最高。

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EffectsofElectric-thermalLoadonResidualCompressiveStrengthRepairedCFRPafterImpact

LINa1,ZHANGJun1,LUPengcheng1,WANGTao2,YANJin2

(1.TianjinKeyLaboratoryforCivilAircraftAirworthinessandMaintenance,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300300,China;2.GuangzhouAircraftMaintenanceEngineeringCo.Ltd,Guangzhou510470,China)

In order to investigate the impact performance of repaired Carbon Fiber Reinforced Polymer(CFRP) at electric-thermal load conditions, the electric-thermal load were performed on the repaired CFRP by the self-devised damage test device. The surface temperature field of the electrified specimens and the resistance variation with different current intensity were measured. The velocity impact and residual compressive strength after impact (CAI) of the electrified specimens were measured. The impact damage failure behavior was analyzed. The research results revealed that the effect on the impact properties is not so dominant when specimens electrified with low current that the CAI just increases slightly. With the increase of current intensity, the repaired interface layer property is destroyed by the high temperature of electric-thermal. The impact performance and CAI of electrified specimens are decreased obviously.

composite repair; electric-thermal damage; low velocity impact; residual compressive strength

2016-05-26；

2016-09-13

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助項目(3122013Z009)

李 娜(1979-)，高級實驗師，博士，主要從事復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修補研究。 E-mail: n-li@cauc.edu.cn。

1673-2812(2017)06-0887-05

TQ327.3

A

10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2017.06.006