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基于介电性能研究碳纤维/3240环氧板复合材料单向板电热作用机制

吉林快3    环氧板    基于介电性能研究碳纤维/3240环氧板复合材料单向板电热作用机制

      试样的温度场随通电时间均呈现先迅速上升后稳态平衡的趋势,低于Q125A·mm-的电热作用使温度场分布均匀,纵向体积电阻降低以及介电性能提升;高于0125A·mm-2的电热作用使中间区域温度场高于两边区域,纵向体积电阻上升以及介电性能下降,介电常数和损耗角正切随测试频率增大而降低,交流电导率随频率增大先稳定后上升,受电热作用影响最大的损耗角正切可作为特征参量,弯曲性能测试表明,低于Q125A·mm-2的电热作用使CF/EP试样的弯曲强度和弯曲模量最大提升118%和7.32%,而高于Q125A·mm-2的电热作用使试样的弯曲强度和弯曲模量最大降低826%和652%关键词:碳纤维/3240环氧板;电热作用;介电:界面;弯曲性能复合材料因普遍具有高比强度、高比模量、可设计性能优异等特点,而被航空制造业大量使用。然而航空复合材料结构在整个服役过程中将受到老化、雷击、外来物撞击等引起的各类损伤,关于这些传统损伤的检测及修补技术已趋于成熟,但是有类损伤形式却是碳纤维/环氧复合材料(CF/EP)所特有的,并长期被忽视的一低强度电流引起的电热损伤。CF/EP通常以碳纤维为增强相,树脂为基体。碳纤维的导电导热性能较好,树脂基体的导电导热性能远低于碳纤维,当机载电子设备以及机体表面静电荷积累产生的安培级电流流经CF/EP时,因碳纤维导电产生的大量焦耳热将无法迅速导走而引起局部高温,使CF/EP产生损伤。针对低强度电流引起的CF/FP性能恶化问题, SIERA-KOWSKI等首先展开了研究,他们发现短时通电会提升抗冲击性能,但长时通电后所形成的更大的温度梯度会抵消短时通电的正面影响。GIGLIOTTI等3研究了CF/EP层合板分别在低强度直流/交流电流作用下的电力疲劳行为。蔺越国等研究了电热耦合对不同铺层的CF/EP层合板拉伸及疲劳性能的影响,建立了损伤的电阻模型。但上述研究的不足在于未对电热本身对CF/ EP产生的损伤以及损伤机理进行研究。纪朝晖等在研究电热对碳纤维复丝拉伸性能的影响时首先揭示了电热本身对纤维、基体以及界面的作用机理,本文将在此基础上继续研究CF/ EP层板的电热作用机制。众所周知,CF/EP内存在一定的导电网络,当材料内部出现损伤时,导电网络会随之改变,这种变化可通过电学测试得到放大,即所谓的“自检”。如 SCHULTE等采用直流(DC)法和交流(AC)法对拉伸过程中的CF/EP层板进行原位的损伤监测。WANG等提出DC电阻自检法研究了CF/EP层板的冲击损伤,发现电阻会随着冲击损伤的出现而不可逆上升RAIHAN等采用AC法对复合材料层板的拉伸损伤进行了研究,发现材料性能恶化与其介电性能化之间存在对应关系。由于CF/EP本身就是电介质,而介电分析可阐明电介质内部微观成分、结构(分子、偶极子以及界面等)和极化机制之间相互作用规律,更能考察材料内部微观结构和宏观介电
性能的联系。因此,本文对CF/EP层板的电热作用机理的研究主要基于介电分析,通过温度场、体积电阻、介电性能以及三点弯曲力学性能之间相互验证,确定了电热作用特征参量,建立损伤微观机理与宏观失效机制之间的联系,为发展CF/EP电热损伤的无损检测技术打下了理论和实践基础。
(1)碳纤维/3240环氧板(CF/EP)试样的温度场随通电时间均呈现先迅速上升后稳态平衡的趋势。低于0.125A·mm-2的电热作用在试样表面形成的温度场较为均匀,高于Q125A·mm-2的电热作用改变了纤维之间的接触点数目,使CF/ EP内部的导电网络在中间区域呈现更多的电阻成分,中间区域的温度场要高于两边区域。

(2)CF/EP中受电热作用影响最大的是纤维-树脂界面,其次是树脂基体。低于Q125A·mm-2的电热作用修复了纤维-树脂界面,增加了纤维与纤维之间的接触点数目,使试样的纵向体积电阻降低至初始值以下,漏导损耗增加,损耗角正切上
升以及交流电导率上升。介电常数上升是因为3240环氧板极性基团的取向活动能力增强。高于0125A·mm-2的电热作用弱化了纤维树脂界面,使纤维之间的接触点数目降低,纵向体积电阻远高于初始值。这种弱化可能是由纤维与基体的热膨胀系数不匹配而产生的残余应力引起的,它会导致CF/EP中纤维与基体脱粘、分层,继而使介电常数、损耗角正切以及交流电导率均下降。损耗角正切受电热作用影响最大,且更能反映电热作用对界面和基体的损伤,故可作为电热作用特征参量。

(3)Q05~0.125A·mm-2的电热作用修复了纤维树脂界面,提高了纤维树脂的粘结强度,使CF/EP试样的弯曲强度最大提升118%;电热作用造成树脂基体的自由体积收缩,使弯曲模量最大提升7.32%。0.15~0.2A·mm-2的电热作用则弱化纤维-树脂界面,这种弱化可能降低纤维-树脂的粘结强度,使CF/EP发生纤维基体脱粘甚至分层,最终使试样的弯曲强度和模量分别降低8.26%和6.52%。

2020年5月20日
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