碳纖維樹脂基復(fù)合材料電熱損傷溫度場研究

韓志勇，王曉梅，左進(jìn)奎，王志平

（中國民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300）

碳纖維樹脂基復(fù)合材料（CFRP）具有優(yōu)異的力學(xué)性能，比強(qiáng)度、比剛度高，疲勞性能良好，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中得到了日益廣泛的應(yīng)用與研究。

飛機(jī)在長期服役過程中其結(jié)構(gòu)會(huì)受到各種各樣的損傷。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主要損傷形式有濕熱損傷、紫外損傷、機(jī)械沖擊損傷和電熱損傷。前3種損傷一直受到國內(nèi)外科技界和企業(yè)高度重視，而對電熱損傷的研究與評價(jià)近年來才受到人們的關(guān)注[1-2]。電熱損傷主要有3種形式：①短時(shí)間強(qiáng)電流（kA量級）的閃電損傷；②長時(shí)間低電流（A量級）的電熱損傷；③靜電損傷。國內(nèi)外學(xué)者對閃電損傷進(jìn)行了廣泛的研究[3-5]。由于CFRP電阻系數(shù)為 6×103Ω·cm，大約是鋁的2 000倍，當(dāng)電流通過材料內(nèi)部時(shí)，會(huì)導(dǎo)致局部升溫，致使CFRP部件受到熱損傷，力學(xué)性能可能大幅下降[6-8]。由于目前還沒有相應(yīng)的電熱損傷無損檢測技術(shù)，所以這種損傷具有極大的隱蔽性，給飛機(jī)安全飛行帶來極大的隱患。隨著CFRP在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用規(guī)模越來越大，其電熱損傷已成為科學(xué)研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問題[9-12]。

1 實(shí)驗(yàn)方法、方案和計(jì)算原理與模型

1.1 實(shí)驗(yàn)方法和方案

碳纖維樹脂基復(fù)合材料的電熱損傷的溫度場分布實(shí)驗(yàn)研究是在自制的電熱損傷設(shè)備上進(jìn)行的，測試平臺(tái)主要包括測試系統(tǒng)、采集系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)3個(gè)部分，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。測試復(fù)合材料的尺寸為200 mm×20 mm×2 mm，其中纖維編織方向沿軸向單向編織，纖維含量為60%。為了減少試件和銅電極的接觸電阻，接觸端涂覆高純的導(dǎo)電膠。測試過程中，試件兩端可以進(jìn)行加載處理。

圖1 電熱損傷實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Setting drawing of electric-thermal experiment device

實(shí)驗(yàn)過程中，選取恒定電流通電方式，使用測試電源通過Cu電極給復(fù)合材料分別通以強(qiáng)度為4 A、6 A和8 A的直流電。溫度場測試采用非接觸式測量方式，探測探頭分別測試圖1中A、B、C三點(diǎn)的材料表面溫度隨通電時(shí)間的變化，采集頻率為1 s/點(diǎn)。通電時(shí)間為1 h。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experiment parameters

1.2 模擬計(jì)算模型

根據(jù)實(shí)驗(yàn)中復(fù)合材料的尺寸，建立三維有限元模型，均勻劃分網(wǎng)格，如圖2所示。

復(fù)合材料電熱損傷需要計(jì)算電-熱-力三者之間的關(guān)系，計(jì)算通電后材料的溫度場分布是研究電熱損傷的前提和必要條件。本文使用間接耦合的方法，使用電-熱耦合模塊計(jì)算通電過程CFRP的溫度場分布，分析單元使用DC3D8E。當(dāng)進(jìn)行通電時(shí)，試件內(nèi)部會(huì)形成一個(gè)基于焦耳熱的體熱源。實(shí)際的物理模型可簡化成求解一定散熱邊界條件下的試件內(nèi)部溫度分布模型。具體邊界條件可設(shè)定為:復(fù)合材料兩邊通過導(dǎo)電膠與銅電極接觸散熱，中間部分與空氣換熱。

為了保持和實(shí)驗(yàn)過程一致，計(jì)算過程中，周圍環(huán)境溫度取為16℃。由于實(shí)驗(yàn)研究的是復(fù)合材料表面溫度的分布，不考慮材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，對該模型做了如下假設(shè):周圍空氣的溫度始終保持恒定，材料與空氣的散熱系數(shù)不隨溫度的變化而改變。整個(gè)復(fù)合材料的等效導(dǎo)熱系數(shù)和電阻率不隨溫度變化。

2 實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果

2.1 溫度場隨電流的變化

通電電流分別為4 A、6 A、8 A，3個(gè)測試點(diǎn)A、B、C溫度的變化曲線如圖3所示。圖3插圖的3組曲線中，每組3條曲線自下向上分別代表A、C、B點(diǎn)溫度。

2.2 溫度場模擬

依據(jù)1.2計(jì)算模型，對計(jì)算結(jié)果作后處理，通電電流為4 A、6 A和8 A時(shí)溫度場云圖分布如圖4所示。復(fù)合材料表面中心B點(diǎn)的有限元計(jì)算的升溫曲線結(jié)果如圖5所示。通電電流8 A下實(shí)驗(yàn)與模擬計(jì)算的結(jié)果比較如圖6所示。

3 分析與比較

對比圖3中4 A、6 A、8 A電流的作用，在同一時(shí)間條件下，溫度隨電流的增加迅速增大。升溫2 min左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到穩(wěn)定平衡分布的時(shí)間基本不隨通電電流的變化而變化。

在不同電流作用下，表面溫度升溫的變化規(guī)律基本一致。CFRP在恒定通電電流（8 A）作用下，表面溫度隨時(shí)間的增加而升高。升溫過程中，通電時(shí)間內(nèi)溫度幾乎隨時(shí)間呈線性增長。達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，復(fù)合材料中心部分B點(diǎn)溫度最高，達(dá)到198℃。兩側(cè)A、C點(diǎn)溫度均為192℃。這主要是由于外表面與空氣對流散熱，兩端通過電極導(dǎo)熱散熱，因銅電極導(dǎo)熱系數(shù)較大，復(fù)合材料與銅電極接觸的部分溫度相對較低，形成一個(gè)由中心至兩端的溫度梯度。在4 A和6 A電流作用下B點(diǎn)的平衡溫度分別為176±0.5℃和182±0.5℃。

從樣品模擬計(jì)算的穩(wěn)定溫度分布（如圖4所示）可以看出，通電后材料內(nèi)溫度場分布在橫向和縱向都存在一溫度梯度。8 A電流作用下穩(wěn)定溫度達(dá)到198℃，此溫度低于CFRP材料的耐熱溫度，不會(huì)造成樹脂基體的變化以及目視檢測出現(xiàn)的裂紋以及斷裂現(xiàn)象。計(jì)算結(jié)果表明，8 A以下單次電流作用形成的溫度不會(huì)引起樣品結(jié)構(gòu)的變化，但是反復(fù)作用可能引起材料性能的劣化。

圖5的模擬計(jì)算結(jié)果顯示，在4A、6A、8A電流作用下，中心B處的溫度隨時(shí)間也基本呈線性增加，在160 s左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定溫度分別為162℃、177℃和195℃并且不隨通電時(shí)間而變化。

比較圖6的模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，8 A電流作用下電熱溫度場的有限元計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值在初始升溫階段和趨于穩(wěn)定這兩個(gè)階段符合的比較好，只是有限元計(jì)算的平衡溫度略低于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而在升溫階段實(shí)驗(yàn)值升溫較快，存在著一定的差異，造成這種現(xiàn)象的主要原因有以下幾個(gè)方面：

1）有限元計(jì)算采用的是簡化模型，忽略了材料熱物性隨溫度變化對試件升溫的影響。

2）有限元計(jì)算過程中，設(shè)定邊界條件為室溫16℃，而實(shí)驗(yàn)中，由于條件限制，導(dǎo)電膠與Cu電極之間存在著一定的接觸電阻，焦耳熱的存在導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過程中試件兩端溫度大于室溫，在縱向?qū)е聹囟忍荻刃∮谀M計(jì)算的溫度梯度。

雖然有限元分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在某些時(shí)刻不能完全吻合，但變化規(guī)律基本一致，整個(gè)升溫曲線還是比較準(zhǔn)確地反映了CFRP的升溫規(guī)律。

4 結(jié)語

1）自行研制的電熱損傷測試平臺(tái)通過降低接觸電阻，能夠進(jìn)行復(fù)合材料CFRP通電后的溫度場分布研究，可以準(zhǔn)確測試CFRP通電后的升溫曲線及溫度場分布。

2）復(fù)合材料在通電階段，材料表面溫度基本隨時(shí)間線性增加，在2 min左右達(dá)到穩(wěn)定平衡，在隨后的通電過程中表面溫度不隨時(shí)間而變化，隨著電流的增大顯著升高。

3）溫度場模擬計(jì)算與電熱損傷實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，變化規(guī)律基本一致。表明自行研制的電熱損傷測試系統(tǒng)具有可靠性和穩(wěn)定性，模擬計(jì)算模型可用于CFRP復(fù)合材料溫度場預(yù)測。

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