碳纤维复合材料结构电阻特性研究

张 静，蔺越国，谭 娜，李树宇，李谨先，张蒙蒙，汪智超

（中国民航大学 航空工程学院，天津 300300）

碳纤维复合材料结构电阻特性研究

张 静，蔺越国，谭 娜，李树宇，李谨先，张蒙蒙，汪智超

（中国民航大学 航空工程学院，天津 300300）

为研究碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）的电阻特性，制作了3 种不同铺层的试件（单向层合板[0]8、[90]8与交叉层合板[45/-45/90/0]），对试件端部进行了粘接铜箔处理以使试件稳定导电，分别测量试件电阻并对数据进行分析。结果表明，对比电阻值和电导率两个方面都得到了相似的结果，即铺层角度对碳纤维层板结构导电性有较大影响；定量比较3 种不同铺层角度试件的电导率发现，[45/-45/90/0]铺层试件的平均电导率约为[0]8铺层试件的0.7 倍，约为[90]8铺层试件的60 倍。

碳纤维复合材料；铺层角度；电阻；电导率

0 引言

CFRP是由基体环氧树脂与增强相碳纤维在特定条件下制作而成。这类材料具有高强度和刚度，良好的抗腐蚀、抗冲击、抗疲劳等特性，同时具有密度低的特点。因此，CFRP被应用到了许多重要的结构和部件中，如飞机机身和机翼结构、汽车车身的某些结构等。先进复合材料越来越多的被用在各类飞行器和空间设备上，这对于减重非常有益。比如波音787飞机上复合材料的质量分数已经达到了50％，这使得燃油效率提高了20％。

因为碳纤维是良好的导电体，所以使用电阻法原位对CFRP层板结构进行损伤检测是一种重要的检测方法。在用电阻法检测CFRP层板结构的损伤时，碳纤维既是增强相，又是损伤检测的“传感器”。且电阻法是一种可以原位进行损伤检测的方法，不必对部件拆除从而可以减少结构力学性能的下降。

目前，国内外许多学者对CFRP的导电特性进行了研究，如Jie Wen等对CFRP 层板结构损伤机理进行了分析并指出相应损伤类型如何引起电阻变化；Dae-Cheol Seo和Jung-Ju Lee提供了一种层板连接电极的方法，进行疲劳实验并创建了使用电阻变化量来反映材料损伤的电阻损伤参数Dr，建立模型分析损伤程度与Dr之间的关系；De Baere等采取另外一种电极连接方式对不同CFRP层板结构进行了大量的静拉伸试验和疲劳实验，罗列了大量实验数据并给出了分析。国内也有许多学者关注该方面的研究，探究CFRP层板结构受损情况与电阻变化之间的关系，也有学者关注电流热效应对试件电阻所产生的影响。国内外研究者由于经常取用不同类型试件、不同的电极与电路布置方法和不同的实验方式，实验结果有相似也有很多不同之处，但是都会给人以启示。

试验提供了一种测量试件电阻的方法，主要研究3 种不同铺层的试件（单向层合板[0]8、[90]8与交叉层合板[45/-45/90/0]）所表现出来不同的电阻特性，初步分析了其机理，同时也给出了改进措施。

1 试件及实验

1.1 原材料及试件

实验所用试件是由增强相HKT800碳纤维和基体280环氧树脂复合而成，共有3 种试件，编号分别记为1#、2#与3#。其中：

1#试件铺层[0]8，尺寸250×36×2 mm，试件数量为7 个；

2#试件铺层[90]8，尺寸175×25×2 mm，试件数量为6 个；

3#试件铺层[45/-45/90/0]，尺寸250×15×1 mm，在两端各有一个夹持端，夹持端与板材主体由不导电的玻璃纤维阻隔，试件数量为7 个。

单层CFRP厚度约0.25 mm，碳纤维体积分数约50％。3 种试件分别如图1～3所示。

1.2 实验方法及设备

1.2.1 实验设备

使用KEITULEY2700数字多用表对试件的电阻进行测量，实验采用两电极的方法测量电阻。KEITULEY2700数字多用表两电极法不必分别测量电压和电流情况，可直接显示试件的电阻值，为确保测量值的准确性和稳定性，须对试件与电极接触的端部进行处理。

1.2.2 对试件的处理方法

图1 1#试件尺寸图

图2 2#试件尺寸图

图3 3#试件尺寸图

CFRP层板中包含很多的碳纤维，层板导电是由于这些碳纤维是电的良导体。层板导电可以看做是无数个小电阻并联与串联同时存在的情况，如图4所示。对层板进行电阻测量，如果不对层板端部进行处理，对测量结果造成很大不利影响，原因如下：①由于层板的特殊结构，其在厚度方向上的电阻远远大于其在长度和宽度方向上的电阻，在不处理的情况下电极是以点接触的形式与试件接触的，点接触具有很大的随机性，两个电极在厚度方向上隔离的层数发生变化，测量结果会发生很大的变化，极不稳定；②点接触的形式不能准确代表整个试件的电阻，测量结果意义不大。

为此，为了使测量结果尽量准确，实验对层板结构的端部做了贴铜箔处理。铜箔为0.1 mm厚纯铜片（紫铜），导电性极好，将铜箔裁剪成试件端部大小铜片；导电胶为AiBOND 铜粉导电胶（Cu-211 DOLDEN EPOXY ADHESIVE），将铜粉与粘接剂按照1∶1的比例混合均匀，然后将裁剪好的铜片粘接在碳纤维层板试件的端部，在常温条件固化24 h，即可对试件的电阻进行测量。处理好的试件如图5所示。实验实际操作中显示，贴有铜片的试件在测量中数据稳定，消除了测量结果随电极位置变动而突变的现象。

2 结果与讨论

2.1 测量电阻的分析

根据上述测量电阻的方法可知，实验中测得的电阻总值Rt可由式⑴来描述：

图4 碳纤维导电示意图

图5 对试件端部粘接铜片后的试件

式中Rf为碳纤维层板的电阻，Re为其他电阻，Re主要包含导电胶的电阻、铜片的电阻还有铜片与电极间的接触电阻。

以上铜片电阻与接触电阻可以看做是恒定的，导电胶的电阻主要是由导电胶的厚度决定的，在保证导电胶的厚度基本一致的情况下，Re可以认为是恒定的。而且上述电阻值相对很小，在不影响结果的前提下可以使用实验测量电阻Rt来替代碳纤维层板的真实电阻Rf来进行相应的对比与分析。

2.2 测量结果

经过测量，3 种试件的实测电阻情况如下，2#（[90]8铺层）试件的平均电阻值最大，3#（[45/-45/90/0]铺层）试件的平均电阻值次之，1#（[0]8铺层）试件的平均电阻值最小，即Rx（2#）＞Rx（3#）＞Rx（1#）。另外每组测量的最大值与最小值以误差线的形式表示在图中。该结果如图6所示。

上述比较只是比较直观的比较，由于试件在尺寸上也是有差异的，所以使用电导率σ来比较这3 种铺层方向的导电效果是比较科学的。求电导率的公式如式⑵与式⑶所示。

用Rt替换Rf，并将⑵式变形得：

图6 3 种试件x方向的平均电阻

根据测量结果以及上述公式，计算出各试件x方向的电导率，结果显示，1#（[0]8铺层）试件的平均电导率最大，3#（[45/-45/90/0]铺层）试件的平均电导率次之，2#（[90]8铺层）试件的平均电导率最小。即σ1（1#）＞σ1（3#）＞σ1（2#），该结果如图7所示。每组试件导电率的最大值与最小值以误差线的形式表示在图中。需要特别指出的是，与单根碳纤维的电导率相比（电导率约为105～106S/m），成品试件的电导率还是有很大的下降。

图7 3 种试件x方向平均电导率

2.3 对测量结果的分析

2.3.1 综合分析

结果显示试件的电导率与单根碳纤维的导电率相比（电导率约为105～106S/m），成品试件的电导率有数量级上的下降，可能的原因有：

① 碳纤维层板制作过程中，增强相碳纤维须预浸树脂纤维，而后者的电导率极低（约为10-13～10-17S/m），二者的混合导致碳纤维层板整体导电性下降；

② 制作过程要经过层压、加热固化等工艺过程，在这些工艺过程中，层板的导电性会有所改变；

③ 试件内部初始缺陷可能对试件导电性造成影响；

④ 温度、湿度等其他可能对试件电阻造成影响的因素。

2.3.2 90°铺层电导率分析

针对2#（[90]8铺层）试件的平均电导率最小（与其他两种试件相差约100 倍）这一现象提出以下解释：CFRP层板是依靠碳纤维导电的，碳纤维的导电性能具有方向性，当电流顺着碳纤维的方向时，碳纤维对电流的阻碍作用很小；而如果通电方向与碳纤维方向成90°的话，电流只能依靠碳纤维的横向接触点传导，这种情况势必会增加对电流的阻碍作用，从而表现出电阻很大。如图8所示试件中电流的流动状态。

图8 不同试件的电流状态

2.3.3 ±45°铺层电导率分析

针对3#（[45/-45/90/0]铺层）试件的平均电导率较2#（[90]8铺层）试件的平均电导率有明显提升这一现象提出以下解释：正如上述分析那样，通电方向与碳纤维方向成90°的情况是最不利于导电的，而当通电方向与碳纤维方向成45°或者-45°时，这一情况将被大大改善，当然仍不及通电方向与碳纤维方向成0°这一情况。所以从大小上来看，3#（[45/-45/90/0]铺层）试件的平均电导率约为2#（[90]8铺层）试件的平均电导率的60倍；约为1#（[0]8铺层）试件的平均电导率的0.7。

3 结论

⑴ 设计了一种较为准确测量CFRP层板结构电阻的方法，实际操作过程中也发现有很强的可行性，该实验方法的主要改进措施是：降低其他电阻Re对实验精度的干扰，具体措施如使用导电性更好的导电银胶、减小导电胶厚度等措施。

⑵ 通过测量数据Rx与计算数据σ1的比较，得出了碳纤维铺层角度对导电性的影响规律，即0°铺层最利于电流流通，45°与-45°铺层次之，90°铺层最不利于电流流通。

⑶ 定量角度来看，成品试件相对单根碳纤维来说，电导率有数量级上的下降；[45/-45/90/0]铺层试件的平均电导率约为[90]8铺层试件的60 倍，约为 [0]8铺层试件的0.7 倍。

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A study on the resistance characteristics of carbon f ber composite material

ZHANG Jing, LIN Yue-guo, TAN Na, LI Shu-yu, LI Jin-xian, ZHANG Meng-meng, WANG Zhi-chao
( School of Aeronautical Engineering, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300 China )

In order to investigate the resistance characteristics of the CFRP, three different types of specimen were made(unidirectional composites [0]8、[90]8and cross-ply laminate [45/-45/90/0]). The ends of each specimen were bonded with copper plates which helped the stability of conductivity. We measured the electrical resistance of specimens using KEITULEY2700 DMMS. A lot of data were acquired and analyzed. From two aspects of contrast of resistance and conductivity, we got similar results ,which showed that the angle of the layers had a great influence to the electrical resistance of CFRPs. Through quantitative comparison of three kinds of different specimens, we find the average conductivity of the specimen [45/-45/90/0] layer is about 0.7 times of that of [0]8layer, and it's about 60 times of the specimens[90]8layer.

CFRP; angle of layers; electrical resistance; conductivity

V258

: A

: 1007-9815（2016）03-0022-04

定稿日期: 2016-05-12

中国民航大学大学生创新创业项目（IEACUC2015010），中国民航大学科研项目（3122015C010）

张静（1994-），男，河北张家口人，大学本科生，专业方向为飞机结构与系统修理、复合材料性能等，(电子信箱)983753531@qq.com；通讯作者：蔺越国，博士，讲师，研究领域为航空纳米复合材料和复合材料结构维修，(电子信箱) yueguolin@yahoo。