非破坏雷电流A分量作用下碳纤维复合材料的动态特性

孙晋茹,姚学玲,许雯珺,陈景亮

(西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室,710049,西安)



非破坏雷电流A分量作用下碳纤维复合材料的动态特性

孙晋茹,姚学玲,许雯珺,陈景亮

(西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室,710049,西安)

建立了碳纤维复合材料(CFRP)雷电冲击特性的实验平台,通过实验验证和对CFRP等效电路模型的分析,提出了采用两电极测试系统,通过检测流经CFRP层合板的脉冲电流和其两端的动态电压,研究了CFRP动态特性的测试方法,分析了在雷电流A分量作用下CFRP的动态特性。实验结果表明:在峰值时间为30.2 μs、半峰值时间为72.2 μs的非破坏雷电流A分量冲击作用下,碳纤维复合材料具有较强的导通能力,并且随着脉冲电流强度从5 A增加至100 A,其电阻由20 Ω减小至2 Ω左右,即具有显著的非线性;CFRP试品两端的电压先于电流达到峰值,材料整体显示出一定的电感效应。利用建立的CFRP层合板的等效电路模型,对CFRP在雷电流冲击下表现出的动态电阻非线性、电感特性、高导电微碳纳米管(MCNT)夹层对材料动态伏安特性的影响等现象进行了合理的解释。研究结果为CFRP的电气特性、树脂热降解、温度场分布以及热失重等研究提供了必要的理论支撑,同时为CFRP在航空航天领域的广泛应用奠定了坚实的基础。

碳纤维复合材料;非破坏性冲击电流测试;动态阻抗特性;非线性;电感特性

雷电是一种高电压大电流的自然放电现象,其存在会对航空航天飞行器的安全运行造成极大危害。飞机遭雷击概率和气候条件、飞机机型、飞行高度等多种因素有关,一般来说,飞机遭雷击概率为每3 000 h左右1次[1-2]。雷电对飞机产生的直接损伤表现为当雷电电弧附着时伴随产生的高温、高压冲击波和电磁力对飞机造成的燃烧、熔蚀、爆炸、结构畸变和强度降低等效应[3]。

随着碳纤维复合材料技术的进步,碳纤维增强型聚合物复合材料(CFRP)在民用飞机、军用飞机、无人机及隐形机上的用量不断增长,波音787的主翼、尾翼、机体、地板等结构中50%使用CFRP,2014年投入使用的空客A350XWA上CFRP的使用比例可达到53%[4-5]。相比于传统的铝、钛合金,CFRP的电传导性能差,CFRP横向的电阻率达到10-1Ω·m量级,深度和厚度方向的电阻率更大[6-8],并且其电阻率与CFRP层合板的制作技术密切相关,低导电性使得CFRP在雷击时无法短时间将积累的电荷转移或扩散,导致CFRP局域温度急剧升高,会带来CFRP纤维断裂、树脂热解、深度分层等严重损伤[3],进而威胁飞机的运行安全。

CFRP问世以来,诸多学者主要关注其机械特性的研究,得到了机械冲击参量与CFRP的抗拉伸强度、抗压缩强度及损伤区域面积和深度之间的关系,以及CFRP损伤和分层断裂程度的表征[7-8],并从力学和统计学角度,建立了CFRP变形、损伤及断裂的模型[9-10]。针对雷电流对CFRP的直接效应这一多场综合作用问题,一些研究者从热电耦合、热力耦合等方面[11-13]建立了用于研究CFRP的雷击物理损伤的仿真模型。飞机实际遭雷击时,作为最先与雷电流冲击接触的部位,CFRP的表面导电特性对雷电流的分散和传导至关重要。此外,CFRP层合板在非破坏雷电流A分量冲击作用下的动态特性能够在一定程度上反映CFRP材料的雷击响应行为,然而CFRP动态特性的测试方法研究并没有得到必要的关注。文献[14-16]进行了10 kA以上量级雷电流冲击实验,但很少有研究涉及CFRP的表面特性和动态冲击特性对其雷击响应的影响,同时由于强度为kA量级的脉冲电流会在瞬间对CFRP试样造成不可修复的损伤,不利于对CFRP在脉冲电流作用下的动态冲击特性进行重复和深入研究。

本文建立CFRP非破坏性雷电A分量的实验平台,通过对CFRP动态特性的实验研究,分析引起CFRP动态特性差异的影响因素,提出适合研究CFRP动态特性的测试方法,得到CFRP的动态阻抗随外施电流变化的规律。结合得到的实验波形数据和CFRP试样的表面覆层、内部夹层和板内铺层模型,阐释CFRP在雷电A分量作用下的内在导通机制,为CFRP材料的结构研究和CFRP层合板的设计奠定一定的理论基础。同时,也可为CFRP树脂热降解、复合材料的温度场分析以及材料的热失质量等模拟研究提供必要的数据支撑。

1 实验准备和实验方法

1.1 实验样品

实验样品的技术参数如表1所示。

表1 实验样品的技术参数

1.2 实验电极和测试电路

为获取CFRP层合板的动态特性,本文采用文献[17]的三电极测量系统。图1中电极A为直径74 mm的铜圆盘,电极B为直径50 mm的铜圆柱,电极C为内径54 mm、外径74 mm的圆环状铜电极。

(a)实验电极

(b)实验电路图1 CFRP动态特性的测量电极和电路

选择合适的电路元件参数,图1b电路可以产生满足SAE APR 5412标准[18]的电流A分量。采用罗氏线圈、分压器和泰克MDO3012示波器就可获得1组雷电流A分量和CFRP样品两端电压的波形,从中分析CFRP动态特性与外施电流之间的关系。

2 CFRP动态阻抗测量实验结果

2.1 电极连接方式的选择

按图1电路对试样1进行实验,电极B接高压端,电极A接地,在电极C的不同电气连接下,放电电压为2 kV时测得的样品电压与电流波形如图2所示,其中Ipeak、Upeak分别为电流、电压峰值。

(a)电极C接地

(b)电极C悬空

(c)电极C接高压端图2 样品1在不同电极连接方式下实验波形的比较

从图2可以发现,保护电极C不同连接方式下测试CFRP样品得到的电流和电压波形几乎相同,这一现象的产生是由于雷电流的特性和CFRP层合板材料本身的结构特点造成的。雷电流A波分量作用时间很短,其上升时间不超过30 μs,波尾时间为70 μs左右,实验中放电电压设置为2 kV。在放电的瞬间,放电电压几乎全部施加在高阻状态的CFRP样品上,此时样品的等效电路如图3所示。

电压U可认为是放电电压;RC1～RC32分别代表样品中32层高导电碳纤维层在厚度方向的等效体电阻;体电阻之间的间隙G1～G31代表碳纤维层之间的树脂粘合薄层;Rs代表电极B与C之间面电阻的动态阻抗图3 放电瞬间CFRP层合板等效电路图

由于制作工艺的限制,材料表面层中不可避免地夹杂有绝缘介质成分,因此面电阻支路在放电瞬间是处于高阻状态的。由于雷电流脉冲的作用时间为μs量级,并且脉冲强度不高(非破坏电流脉冲,100 A以下量级),雷电流脉冲在CFRP铺层(不管是微碳纳米管或其他高导电材料铺层)中的散流过程来不及进行或所占总电流的比例极小,也就是说可以基本不考虑CFRP表面对电荷短时间的分散和传导现象。在CFRP内部铺层被击穿后,样品的等效电路变为图4的形式,动态体电阻的下降使加在样品两端的电压下降,进一步提高了面电阻支路导通的难度。

图4 树脂层击穿后CFRP层合板等效电路图

因此,研究中采用只保留A、B的两电极实验电路,如图5所示。在这种电极连接方式下电流波从样品中心注入,从底面流出,其主要目的是研究雷电脉冲注入情况下,CFRP层合板的体电阻特性。

图5 CFRP动态阻抗两电极测量电路

2.2 雷电流实验波形

合理选择图5中的电路参数C、R、L,可以产生满足SAE APR 5412标准[18]的电流A分量波形,如图6所示。图中短路电流波形参数为峰值时间TP=30.2 μs,半峰值时间Td=72.2 μs,实验所采用的雷电流强度低于102A量级,不会对层合板样品造成实质性损伤。

图6 雷电流A波波形

3 非破坏雷击实验的结果与分析

采用满足SAE APR 5412规定的雷电流A分量对CFRP进行实验,每组包含3个样品,对每个样品进行2次以上的重复实验。

3.1 CFRP层合板雷电冲击的实验结果

实验中测试的样品因其各自的制作工艺和铺层结构的不同,对脉冲电流有着不同的响应。图7为雷电流A分量作用下样品两端的电压和流过的雷电流的特性。

(a)样品1

(b)样品2

(c)样品3

(d)样品4图7 雷电流A分量作用下的电流电压特性

从图7可以看出:样品上、下两端的电压稍先于雷电流达到峰值,即存在明显的电感效应。

3.2 CFRP层合板材料的阻性非线性

测量不同强度脉冲电流作用下电压波形峰值VP,使用R=Vpeak/Ipeak作为材料电阻特性的标志,得到CFRP样品随电流变化的冲击阻抗特性见图8。

图8 样品1～样品4在冲击下的阻性特性变化

对实验结果分析发现,在雷电流A分量作用下,CFRP层合板电阻处于Ω量级,表现出优良的导电性,其电阻值随脉冲电流的增大而减小,显示出明显的非线性特征。在雷电流A分量冲击环境下,样品1～样品4的体电阻差别不明显,即高导电层的加入对CFRP层合板厚度方向导电特性影响较小。

对样品的单次雷电A分量冲击过程进一步分析可得到如图9所示的碳纤维复合材料伏安特性。

(a)样品1

(b)样品2

(c)样品3

(d)样品4图9 CFRP样品的动态伏安特性

从图9可以看出:

(1)随着雷电流幅值的增加,电压的增加幅度逐渐减小,CFRP呈现显著的非线性特性;

(2)在电流增大和减小的过程中,前后两个电压不相等,说明材料对脉冲电流的响应有一定延迟;

(3)样品上的电压稍先于雷电流达到峰值,即存在一定的电感效应;

(4)CFRP内部的高导电MCNT夹层对材料的动态特性有着较明显的作用。

3.3 CFRP层合板雷击实验分析

CFRP层合板是由碳纤维束通过树脂铺层粘合压模成型的,铺层为短纤维与树脂组成的半导电结构。从电路等效角度出发,纤维束可以用大量小电阻等效,而铺层在脉冲电流流通情况下,可以等效为诸多短纤维电阻、电感与放电间隙的串联,如图10所示,同时每层纤维层也可等效为类似的电阻电感网络。

Li,j、Ri,j,、Gi,j代表纤维之间树脂铺层的等效电阻、电感与放电间隙;ri,j代表碳纤维束的电阻图10 CFRP试品二维等效电路图

随着放电电压的升高,树脂绝缘层在逐渐升高的放电电压下击穿程度和击穿面积逐渐增加,随着树脂层绝缘强度的减弱与导通程度的增加,CFRP层合板等效电阻会明显减小。由于碳纤维导电率很高,因此材料整体表现出的电感特性可视为层合板中每层树脂层等效电感的串联综合,因此测量结果中表现出的电感特性与碳纤维复合材料本身具有的内部夹层特性密切相关。特别的是,在层间混入MCNT能够有效改善CFRP层合板内部纤维层间的导电特性,使CFRP材料动态伏安特性中的线性特征更加明显,材料对脉冲电流的响应延迟及电感效应均有不同程度减小,即内部夹层中的MCNT成分能够增强CFRP材料的动态线性特征。

4 结 论

(1)鉴于CFRP层合板的结构组成和雷电流A分量作用的特点,通过对电极形式和连接方式进行实验发现,CFRP层合板材料在非破坏性雷电A分量作用下的阻抗特性对测量使用的三电极连接形式不敏感,因此本文提出了简化的两电极测量电路进行CFRP动态阻抗特性研究。

(2)雷电冲击作用下,碳纤维复合材料所表现出的Ω量级的电阻反映了CFRP层合板在雷电流A分量作用下具有较强的导通能力。CFRP材料在雷电流A分量作用下的冲击电阻特征具有显著的非线性,源于碳纤维复合材料内部铺层的电气特性。

(3)在非破坏性雷电流A分量冲击实验中,高导电MCNT夹层掺杂数量不同的CFRP层合板试样的体电阻的差别不明显,即高导电层的加入对CFRP层合板厚度方向导电特性影响较小,而CFRP材料动态伏安特性会受到内部夹层中的MCNT成分的影响。此外,由于CFRP材料中纤维与纤维之间的铺层电感作用,样品上的测试电压先于电流达到峰值,材料整体显示出一定的电感效应,而且在电流增大与减小过程中前后电压不重合,表明材料中的电介质对脉冲电流的响应具有延迟效应。

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(编辑 杜秀杰)

Dynamic Characteristics of Carbon Fiber Reinforced Polymer under Non-Destructive Lightning Current A Component

SUN Jinru,YAO Xueling,XU Wenjun,CHEN Jingliang

(State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

An experiment platform is established to measure lightning impulse characteristics of carbon fiber reinforced polymer (CFRP), on which the experimental circuit and structures of CFRP are developed to propose a suitable two-electrode testing method. The dynamic characteristics of CFRP under non-destructive lightning current A wave (TP=30.2 μs,Td=72.2 μs) are investigated. The experimental results show that the carbon fiber composite material has a strong conduction capability under lightning impulse, and its impact resistance exhibits significantly nonlinearity, and a close relationship between surface coating materials and internal layer-structures is revealed. Considering the internal ply structure, surface material and conductivity of carbon fibers, micro carbon nanotubes layers and polymer, the lightning conducting model of CFRP is established. The inductance characteristics, nonlinear dynamic resistance characteristics as well as the linear trend in dynamicV-Icharacteristics can be well explained.

carbon fiber reinforced polymer; non-destructive impulse testing methods; dynamic impedance characteristics; non-linear characteristics; inductance characteristics

2016-01-03。 作者简介:孙晋茹(1991—),女,博士生;姚学玲(通信作者),女,教授,博士生导师。 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51477132);陕西省创新团队资助项目(2012KCT-07);中央高校基本科研业务费资助项目(xkjc 2014006)。

时间:2016-03-11

10.7652/xjtuxb201606020

V258;TM835

A

0253-987X(2016)06-0130-06

网络出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160311.1717.006.html