高韌性防雷擊復(fù)合材料表面膜研究

肖萬(wàn)寶，李洪峰，曲春艷，王德志，張楊，楊海冬，王永強(qiáng)

黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150040

熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱復(fù)合材料）制件表面最常見(jiàn)的缺陷是針孔、缺膠和貧膠。復(fù)合材料表面膜是一種用于復(fù)合材料制件外表面的樹(shù)脂基膜狀材料，它可以與預(yù)浸料共固化，解決復(fù)合材料制件表面缺陷、方便施工并可以節(jié)省傳統(tǒng)打磨拋光試件的時(shí)間和勞力，且重量（質(zhì)量）可控[1-6]。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件表面鋪覆表面膜后，復(fù)合材料表面光滑致密。如圖1 所示，左半圖復(fù)合材料表面呈現(xiàn)針孔等凹陷，右半圖鋪覆表面膜后表面平整無(wú)針孔現(xiàn)象。另外，復(fù)合材料表面膜的使用還可以賦予復(fù)合材料制件特殊的功能，如與金屬網(wǎng)復(fù)合后具有防雷擊等功能[7-14]。由于復(fù)合材料導(dǎo)電性能較金屬差，當(dāng)復(fù)合材料遭受雷擊時(shí)，很難將高能量的電流傳導(dǎo)出去，必然導(dǎo)致大能量的聚集，從而影響飛機(jī)的安全性能，因此必須對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料部件進(jìn)行有效的雷擊防護(hù)。目前，飛機(jī)上復(fù)合材料雷擊防護(hù)最行之有效的方法通常采用鋪設(shè)金屬網(wǎng)、表面噴鋁、黏結(jié)金屬箔或布置分流條等方式，其中鋪設(shè)金屬網(wǎng)的方式最為普遍，用量最大。帶金屬網(wǎng)的復(fù)合材料表面膜與預(yù)浸料共固化到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上后，可承受200kA的電流，雷電流從飛機(jī)外表面沿金屬網(wǎng)通過(guò)，復(fù)合材料內(nèi)部損傷不嚴(yán)重，通常造成雷擊點(diǎn)金屬網(wǎng)燒蝕或淺層復(fù)材破損，維修人員在維修時(shí)只要將損壞的部分剝掉，重新修補(bǔ)就可完成[15-23]。為匹配復(fù)合材料樹(shù)脂體系，目前有環(huán)氧樹(shù)脂、雙馬樹(shù)脂、氰酸酯樹(shù)脂及苯并噁嗪樹(shù)脂為主體樹(shù)脂的復(fù)合材料表面膜[24-30]。

圖1 鋪附表面膜后復(fù)合材料表面對(duì)比Fig.1 Surface contrast of composite material after surfacing film

本文研制了一種韌性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料表面膜，采用一種雙羥基聚苯醚增韌改性環(huán)氧樹(shù)脂，得到一種韌性環(huán)氧樹(shù)脂體系，通過(guò)表面膜載體的優(yōu)選，最后與金屬網(wǎng)復(fù)合制備了一種防雷擊復(fù)合材料表面膜，其有望在航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件中獲得應(yīng)用。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料與試劑

試驗(yàn)中所采用的雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂（EP）為無(wú)錫環(huán)氧樹(shù)脂廠的產(chǎn)品；雙羥基聚苯醚（MPPO）由鄭州大學(xué)提供；載體購(gòu)自陽(yáng)江英普奇點(diǎn)五金制造有限公司；KKL系列防雷擊金屬網(wǎng)為航空工業(yè)合肥航太電物理技術(shù)有限公司的產(chǎn)品；固化劑混合物為自制。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

（1）樹(shù)脂試樣制備

將環(huán)氧樹(shù)脂置于容器中，升溫至190℃，按配方（見(jiàn)表1）加入雙羥基聚苯醚并不斷攪拌，保溫10min，攪拌均勻至完全溶解；降溫130℃左右加入固化劑并不斷攪拌，混合均勻后倒入預(yù)熱的模具中；130℃真空脫泡，按照180℃×3h的固化工藝固化樹(shù)脂澆鑄體。

表1 試驗(yàn)配方Table 1 Experimental formula

（2）表面膜制備

采用表1中樹(shù)脂配方與載體和金屬網(wǎng)通過(guò)熱熔法成膜設(shè)備制備出防雷擊復(fù)合材料表面膜，制備的表面膜厚度為0.13mm，面密度為150g/m2。

1.3 測(cè)試與表征

表面膜樹(shù)脂固化物液氮冷凍后淬斷面形貌通過(guò)荷蘭Philips 公司的XL30 ESEM 型掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行觀察。表面膜的沖擊強(qiáng)度采用河北承德材料試驗(yàn)機(jī)廠的Charpy XCJ-500型簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)定。表面膜樹(shù)脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度采用美國(guó)TA 公司的DMA Q800 型動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀（DMA）測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面膜樹(shù)脂的韌性

本文采用沖擊強(qiáng)度和斷裂韌性衡量表面膜樹(shù)脂固化物韌性。沖擊強(qiáng)度試樣采用無(wú)缺口沖擊試樣，沖擊強(qiáng)度結(jié)果如圖2 所示，沖擊強(qiáng)度隨著MPPO 用量的增加而增加，初始韌性增加明顯，當(dāng)用量超過(guò)10phr，增加趨勢(shì)變緩。當(dāng)MPPO用量為20phr 時(shí)，缺口沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值18.6kJ/m2，相比于未添加MPPO 體系的10.1kJ/m2，沖擊強(qiáng)度增加84.2%，表明表面膜樹(shù)脂韌性得到明顯提高。添加MPPO可以提高表面膜樹(shù)脂的韌性，但要兼顧表面膜良好的工藝黏性以滿足表面膜樹(shù)脂制造工藝的要求。從韌性增加趨勢(shì)來(lái)看，本文選擇10phr的MPPO增韌表面膜樹(shù)脂，此時(shí)缺口沖擊強(qiáng)度為17.5kJ/m2。

斷裂韌性表征的是材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是度量材料的韌性好壞的一個(gè)定量指標(biāo)，本文選用臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子（KⅠC）來(lái)表征表面膜樹(shù)脂的斷裂韌性。KⅠC 的計(jì)算公式如下。

式中:P為加載應(yīng)力（N）；B為試樣厚（mm）；W為試樣寬（mm）；ν為泊松比，本文取ν=0.40；E為彈性模量（MPa）；f(x)為預(yù)裂紋長(zhǎng)度和缺口深度之和a與試樣寬度W的函數(shù)（x=a/W），即

表面膜樹(shù)脂固化物斷裂韌性測(cè)試結(jié)果如圖2 所示，從圖2中可知，隨著MPPO的加入和用量的增加，表面膜樹(shù)脂斷裂韌性逐漸增加，當(dāng)MPPO 用量為20phr 時(shí)，斷裂韌性最大為1.42MPa·m0.5，斷裂韌性與沖擊強(qiáng)度的變化趨勢(shì)相似。

圖2 表面膜樹(shù)脂沖擊強(qiáng)度和斷裂韌性Fig. 2 Ⅰmpact strength and fracture toughness of surfacing film resin

圖3為表面膜樹(shù)脂固化物液氮冷凍后淬斷面的SEM照片。圖3（a）為未添加MPPO的樹(shù)脂斷面照片，斷面平滑，為典型的脆性斷裂形式；圖3（b）為添加10份MPPO的樹(shù)脂斷面照片，可以觀察到MPPO 分散在環(huán)氧樹(shù)脂基體的連續(xù)相中，形成環(huán)氧樹(shù)脂基體中有許多白色環(huán)。這些白環(huán)結(jié)構(gòu)起到了釘錨的作用，可以有效地阻止和抑制裂紋的擴(kuò)散。此外，這種錨固結(jié)構(gòu)可以緩解裂紋尖端的應(yīng)力，降低環(huán)氧樹(shù)脂基體的應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生韌性斷裂。因此，環(huán)氧樹(shù)脂基體的韌性顯著提高。

圖3 表面膜樹(shù)脂SEM照片F(xiàn)ig. 3 SEM images of surfacing film resin

圖4 為表面膜樹(shù)脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。從圖4 中可以看到，隨著MPPO用量的增加，改性體系玻璃化轉(zhuǎn)變溫度保持在173°C 左右小幅波動(dòng)（如MPPO 用量為0phr、5phr、10phr、15phr、20phr，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度依次為T0=173.23°C、T5=172.9°C、T10=174.8°C、T15=173.4°C、T20=170.5°C）。說(shuō)明MPPO對(duì)表面膜耐熱性基本沒(méi)有影響。

圖4 表面膜樹(shù)脂DMA曲線Fig.4 DMA curves of surfacing film resin

2.2 表面膜防雷擊性能

雷電在飛機(jī)表面不同的附著特征和傳導(dǎo)特性將飛機(jī)表面大致劃分成5個(gè)區(qū)域（1A、1B、2A、2B和3區(qū)）。雷電初始附著概率很高的表面為1 區(qū)，雷電從初始附著點(diǎn)位置被氣流吹移通過(guò)的概率很高的表面為2 區(qū)，3 區(qū)為1 區(qū)和2 區(qū)以外的所有飛機(jī)表面，該區(qū)域雷電流直接附著概率低，但可能成為雷電流傳導(dǎo)的通道。A區(qū)是電弧在它上面懸?？赡苄暂^小的區(qū)域，B區(qū)是電弧在它上面懸?？赡苄暂^大的區(qū)域。

表面膜與防雷擊金屬網(wǎng)復(fù)合構(gòu)成防雷擊復(fù)合材料表面膜。73g/m2的銅網(wǎng)大多用于2A區(qū)和3區(qū)的防雷擊，141g/m2的銅網(wǎng)大多用于1A 區(qū)和2B 區(qū)的防雷擊，金屬網(wǎng)規(guī)格可根據(jù)設(shè)計(jì)需求調(diào)整。金屬網(wǎng)規(guī)格見(jiàn)表2，銅的電阻率為1.75×10-8Ω·m，密度為8.9g/cm3；鋁的電阻率為2.83×10-8Ω·m，密度為2.7g/cm3；銅網(wǎng)導(dǎo)電性更優(yōu)異，鋁網(wǎng)價(jià)格便宜，質(zhì)量輕，但易腐蝕，各具優(yōu)勢(shì)。

表2 幾種常見(jiàn)金屬網(wǎng)性能Table 2 The performance of several common metal mesh

對(duì)鋪貼防雷擊表面膜的復(fù)合材料層壓板進(jìn)行了2A 區(qū)雷擊試驗(yàn)，經(jīng)模擬雷擊B 波平均電流1.80kA，持續(xù)時(shí)間5.28ms，庫(kù)侖量9.52C；C 波平均電流343.01kA，持續(xù)時(shí)間630.4ms，庫(kù)侖量216.32C；D波峰值電流92.46kA，持續(xù)時(shí)間250.2μs，作用積分0.24×106A2s。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。圖5（a）為未經(jīng)防雷擊表面膜保護(hù)的復(fù)合材料層壓板，圖中可以看到復(fù)合材料板出現(xiàn)碳纖維斷裂、分層，復(fù)合材料內(nèi)部出現(xiàn)損傷，圖5（b）為鋪貼防雷擊表面膜的復(fù)合材料層壓板，圖中可以看到復(fù)合材料板出現(xiàn)金屬網(wǎng)燒蝕，燒蝕面積約為直徑?16cm 的圓，復(fù)合材料表面目測(cè)無(wú)損傷。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明防雷擊表面膜有效降低雷電流對(duì)復(fù)合材料的雷擊損傷。

圖5 復(fù)合材料表面膜2A區(qū)雷擊后試驗(yàn)件Fig.5 The specimen of composite surfacing film after 2A zone lightning strike

下一步將開(kāi)展鋪貼防雷擊表面膜的復(fù)合材料層壓板進(jìn)行不同雷擊分區(qū)的雷擊試驗(yàn)，并對(duì)模擬雷擊后的復(fù)合材料層壓板進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

3 結(jié)論

復(fù)合材料表面膜樹(shù)脂韌性隨著雙羥基聚苯醚（MPPO）用量的增加而提高，當(dāng)MPPO 用量為20phr 時(shí)，缺口沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值18.6kJ/m2，相比于未添加MPPO 體系的沖擊強(qiáng)度增加84.2%，表明表面膜樹(shù)脂韌性得到明顯提高，且對(duì)表面膜耐熱性基本沒(méi)有影響。防雷擊表面膜能有效降低雷電流對(duì)復(fù)合材料的雷擊損傷。