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    碳纤维复合材料电导率-温度特性测量及其在预测雷击热效应中的应用
    郭一帆;付尚琛;赵辉;孙征;戴振华
    【摘要】飞机的碳纤维复合材料(carbonfiberreinforcedpolymer,CFRP蒙皮在遭受雷击时将经受急剧的温升效应,对材料电导率造成重要影响,而这一影响又反作用于焦耳热产生过程.文章通过直接加热和电加热两类实验分别测量了ZT7H/5229D碳纤维/树脂层合板在升降温过程中的电导率温度特性;开展了脉冲大电流试验,测量了模拟雷击情况下材料表面的瞬时温度.将实测的电导率温度参数应用到仿真模型中,仿真分析了脉冲注入实验的瞬时温度,结果表明:两类实验的电导率温度特性有着良好的一致性,CFRP在升降温过程中的回滞环现象、热解及基体热固性变化,会影响加温前后及升降温过程中的电导率;基于实验测量规律的仿真模型能够更准确预测雷电流注入时CFRP的温度场.【期刊名称】《电波科学学报》
    【年(卷,期】2019(034004【总页数】8页(P408-415【关键词】碳纤维复合材料;电导率;雷击;瞬时温度;损伤效应
    【作者】郭一帆;付尚琛;赵辉;孙征;戴振华

    【作者单位】陆军工程大学电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室,南京210007;78118部队,成都610057;陆军工程大学电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室,南京210007;78118部队,成都610057;陆军工程大学电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室,南京210007;78118部队,成都610057【正文语种】中文
    【中图分类】O441.6引言
    碳纤维复合材料(carbonfiberreinforcedpolymer,CFRP因其良好的力学性能被广泛应用于航空航天领域.但由于CFRP材料的导电性远低于金属组件,在遭受雷击时更易形成电流聚集,产生的巨大焦耳热严重损坏材料结构,从而影响飞行安全[1].雷电流的最大峰值可达200kA,未进行防护的CFRP板件在遭受雷击时将产生严重的破坏效应,即使是经过雷电防护的材料,也会因金属及其他材料散流时的焦耳热效应经受剧烈的温升,引起材料电导率的显著变化[2].为研究雷击时复合材料的损伤机理,模拟雷电流注入CFRP材料的实验被广泛的开展[3-5].YoshiyasuHirano等人[3]通过自制的脉冲电流发生器,运用X扫描、超声检测对损伤情况进行评估,发现材料的树脂热解、纤维断裂和板件内部分层等损伤主要受到各向异性的导电性能和雷电参数的影响,说明电导率随温度的变化特性(电导率温度特性对于研究CFRP材料的雷击损伤具有重要的作用.文献[5]则指出分层损伤区域和雷电流能量具有很
    强的相关性,证明复合材料受到雷击时,由焦耳热产生的高温是材料内部损伤的主要原因.在实验研究的基础上,热电耦合仿真分析方法被用于评估雷电流热效应对材料的影响[6-9].Abdelal等人[7]假定了不同的电导率-温度关系,分析其对雷电流作用效应的影响.王富生等人[9]通过热-电-结构耦合分析和变量控制的方法,对复合材料层合板在雷击烧蚀后的剩余强度进行了全局预测.仿真结果表明,CFRP材料的电性能会明显影响分析的结果.从以上文献可以看出,在CFRP材料的雷击损伤研究中,无论是实验测量还是仿真分析,都体现了实测CFRP材料的电导率温度特性的重要意义.在非雷击情况下,已有不少关于环境温升时电导率温度特性的研究[10-13],结果表明电导率呈现正温度效应(positivetemperatureconductivitycoefficient,PTCC和负温度效应(negativetemperatureconductivitycoefficient,NTCC,这种独特的变化机制主要源于温升时碳纤维丝束和树脂基体的综合作用.SHENL等人[10]还发现CFRP材料在热循环过程中电导率随温度变化的回滞环.但是,环境温升实验并没有将CFRP加热到足以发生热解损伤的温度(250℃以上.在对CFRP材料的直流通电研究中[14-16],多数学者主要关注通电引起的温度和损伤效应,而很少研究电导率随温度的变化.至于模拟雷击时CFRP材料电导率和温度的变化,以往受限于测量手段,还未见相关测量研究的报道.本文目标是研究直接加热与电加热获得的电导率-温度规律的一致性,探索该规律用于预测雷电流冲击作用下温度场的方法,通过新型瞬态温度传感器实测模拟雷击下的温度曲线,评估预测效果.
    1试件准备
    为便于对CFRP材料各向异性特性的描述,实验中使用[0]16单向铺层的ZT7H/5229D碳纤维/树脂复合材料,厚度为2.5mm.在直接加热实验和通电加热实验中,将材料规则地切成45mm长宽的正方形,通过涂抹银胶的方法,沿纤维、垂直纤维和厚度方向设置对应方向的电极如图1所示.在脉冲大电流注入实验中,试件为300mm×300mm的尺寸,示意图如图2所示,蓝色区域表示CFRP材料,灰色区域表示银胶.图1用于电导率测量的试件实物图Fig.1Thespecimensforelectricalconductivitymeasurement(a沿厚度方向(aSampleforthethicknessdirectionmeasurement(b沿垂直纤维方向(bSampleforthetransversedirectionmeasurement(c沿纤维方向(cSampleforthelongitudinaldirectionmeasurement图2试件示意图Fig.2Illustrationofthespecimens2直接加热下电导率的测量实验
    2.1实验设置
    在初步的研究中,树脂的热解温度在220℃至280℃.因此,在直接加热实验中,为使树脂发生热解,试件被加热至280℃.

    实验平台示意图如图3所示.使用热风枪加热试件,当达到目标温度时立即停止加热,开始自然降温至室温，随后用阻抗分析仪测量整个升降温过程中(简称热循环试件沿每个方向的电阻.在加热开始前,测量试件在室温下的初始电阻.电导率的计算如式(1所示:(1式中:R代表试件电阻;L代表试件沿测量方向上的长度;A代表横截面积.为了更具体地表示电导率的变化,定义电导率变化率σr为
    (2式中，σm表示在室温下两次测量的初始电导率的平均值.图3直接加热实验设置图Fig.3Experimentalsetupfordirectheatingtest2.2结果和讨论
    CFRP试件的电导率变化如图4所示.黑线、蓝线和红线分别表示沿厚度、纤维和垂直纤维方向的电导率测量结果.箭头指示了升降温的方向.材料沿纤维、垂直纤维和厚度方向的平均初始电导率σm分别为8000、5.35和0.495S/m.当温度在80℃至220℃时,沿垂直纤维呈现明显的NTCC效应(负温度效应;沿纤维方向的电导率变化规律相反,呈现PTCC效应(正温度效应.当温度在220℃至280℃时,
    沿三个方向电导率出现了反向的变化.在降温过程中,沿三个方向的结果呈现NTCC效应.升温与降温过程的电导率温度特性曲线并不沿着同一路径,呈现回滞环现象.为了解释上述现象,对CFRP试件进行了扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscope,SEM扫描,得到材料的内部微观结构,如图5所示.从微观图中可见复合材料中存在两类结构:一类是断裂的纤维,这类纤维容易在基体熔融(树脂基体在80℃开始熔融时开始移动,形成新的导电网络;另一类是由相邻纤维的接触点所形成的导电网络.沿纤维方向的电导率温度特性在温度升至220℃期间,树脂基体在80℃时开始熔融,导致内部断裂的碳纤维发生移动,向着连续的碳纤维附聚,从而增强了导电性.当温度进一步被加热到280℃时,由于树脂的热解,在220℃之前形成的附聚物因失去了基体的支撑而分开,附聚结构遭到破坏,从而电导率减小,呈现NTCC效应.在降温过程中,沿各个方向的电导率均随着温度降低而增大,意味着基体的收缩让材料内部形成了更多的导电网络.由于基体在降温时的收缩速率低于升温时的膨胀速率,导致相同温度下电导率的差异.并且由于树脂的热固性,导致CFRP在热循环后无法恢复到初始状态,最终电导率和初始电导率不一致,导致了回滞环现象.图4沿各个方向的电导率的变化率随温度变化曲线Fig.4Conductivitychangeratewithelevatedtemperatureinthickness,fiberandtransversedirections图5沿纤维方向的500倍SEM扫描图像Fig.5SEMphotomicrographsin
    longitudinaldirectionat500timesofmagnification3加热下电导率的测量实验
    3.1实验设置
    在通电加热实验中,温度的测量方法与直接加热实验相同.通电升温时,用直流源对沿纤维和垂直纤维方向的试件分别通入20A和1A的电流,用Tektronix3024型示波器测量电压,根据式R=U/I得到电阻再转为电导率.在断电降温阶段,使用阻抗分析仪测量试件电导率.实验示意图如图6所示.图6加热实验设置示意图Fig.6Experimentalsetupforthedirectcurrentheatingtest3.2结果和讨论
    将测量的电导率温度特性与直接加热实验测得的结果比较,如图7所示.由于升降温转换时改变了测量设备,因此通电加热实验的数据存在一段空档.材料沿纤维和垂直纤维的平均初始电导率σr分别为8000和5.35S/m.由图7可知,两类实验测得的电导率温度特性有着良好的一致性,但通电加热实验电导率曲线的第二次转变温度高于直接加热实验,且最大变化率多了10%,这是因为直接加热实验中温度的测量点在加热点的反面,而通电加热实验中,温度是由于焦耳热作用于试件而产生,温度分布更均匀,产生的电导率变化更大,测量的温度更高.
    (a沿垂直纤维方向(aThetransversedirection(b沿纤维方向(bThelongitudinaldirection图7直接加热与加热试验中电导率变化率随温度变化的曲线对比Fig.7Comparisionofconductivitychangeratewithelevatedtemperaturebetweendirectheatinganddirectcurrentheatingexperiments4脉冲大电流注入实验
    4.1实验设置
    采用图8所示的冲击电流发生装置作为激励源来产生8/20μs模拟雷电流.由于10～50kA的模拟雷电流注入复合材料后可以观察到明显的损伤,因此,选择峰值为30kA的负极性脉冲进行试验.试验中使用测温范围为500～2000℃的光纤测温传感器来测量瞬时温度.图8模拟雷电流试验平台Fig.8Theartificiallightningstriketestplatform4.2结果和讨论
    对两组试件进行雷击试验,实验结果如图9所示.在测试过程中,试件沿纤维方向的两侧被接地,以确保脉冲电流的传导.除了雷电流注入的位置外,在损伤区域附近(0,1cm的位置,还可以清楚地观察到沿纤维方向延伸的裂痕.因此,尽管在测量点周围没有可见的损伤,但其温度的变化也应该是非常剧烈的.
    两组雷击试验中测量的温度波形如图9(b所示.两个温度波形体现出了良好的一致性.持续时间均是800μs,温度从500℃上升到峰值的时间均为50μs,降回500℃的时间均为750μs.当温度低于700℃时,温度的下降速率突然减小.图9(b中的两组雷击试验的温度峰值和波形的微小差异可能是由于试件或装置本身引起的,这意味着需要进一步验证和改进测试设备.由图9(b可知,温度的上升过程对应电流的持续时间,说明温升主要受电流作用积分的影响.但由于电流的持续时间较短,并且沿垂直纤维方向的电导率较低,在测温点的位置温度只能升至约1100℃,远低于碳纤维的升华温度(约3316℃,因此图9(a中的温度测量点没有出现可见损伤.温度的降低主要是由于试件与空气间的热对流,所以该过程比较缓慢.并且,随着试件与周围环境的温差越来越小,对流将变得越来越困难,从而使得温度降低速率逐渐变缓.(a试件损伤区域(aDamageregionofthespecimen(b测量的温度波形(btemperaturemeasurementresult图9雷击试验结果Fig.9Resultofartificiallightningstrikeexperiment5引入实测电导率温度特性的电热耦合分析
    5.1模型建立
    使用ABAQUS6.14,按实验的设置进行建模.根据铜制电极的尺寸,模型中心半径10
    mm的圆形区域被设置为载荷区,载入与试验相同的脉冲电流波形,模型的边界条件也与实验设置一致,接地两端电势为0.仿真模型如图10所示.仿真选用的有限元单元类型为ABAQUS自带的电热耦合单元DC3D8E.图10脉冲大电流注入实验对应的仿真模型Fig.10Theinteractionmodelforanalysis仿真分析分为两个主要步骤:第一步是脉冲电流注入时的热电耦合分析;第二步是在脉冲电流注入后的自然降温分析.在3.2和4.2节测得的电导率温度特性被用到仿真模型中,具体数值如表1所示.在280℃之前的结果由实验直接获得,之后的结果则进行了趋势预测,沿纤维方向的电导率在280～500℃缓慢减小,而另外两个方向按其变化率顺推得到.由于树脂在500℃完全热解,在500℃之后,沿垂直纤维和厚度方向的电导率被定为常量.直到温度超过3316℃后,碳纤维升华,导致沿厚度方向电流直接透过升华区域向下层传导,此时沿厚度方向的电导率将变得很大.材料的热导率、比热及密度随温度变化后对于仿真结果影响较小[17],因此仿真中采用常温下的数值,如表2所示.表1实测的CFRP电导率-温度特性参数Tab.1Measuredtemperature-dependentconductivity温度/°C沿纤维方向/(S·m-1沿垂直纤维方向/(S·m-1沿厚度方向/(S·m-125.080005.350.49572.880005.350.495110.478415.500.549147.988005.000.499182.198283.960.419206.8101003.450.375222.597413.050.305243.594562.650.264263.688242.350.245276.287181.890.197307.48
    7182.870.386350.086003.500.500400.0850010.002.000500.0830050.005.0003316.0830050.00100.000>3316.01010.001×109
    表2CFRP材料的各项参数Tab.2MaterialpropertiesofCFRP方向热导率/(W/m·K-1比热/(J·kg-1密度/(kg·m-3沿纤维11.810651600沿垂直纤维0.60910651600沿厚度0.609106516005.2结果和讨论
    在模拟雷击过程中,最后时刻的温度场如图11所示.根据文献[5]中的仿真分析结果,温度场超过一定阈值可以表征各层的损伤区域.对于内层,阈值通常是树脂基体的热解温度;而对于顶层,焦耳热主要作用于碳纤维,因此阈值是碳纤维的升华温度,为3316℃.图11中的灰色区域实际上显示了焦耳热效应造成的损伤区域,与实验的损伤范围相同.然而,由于冲击波效应在外部损伤的形成中起着重要的作用,单纯的电热耦合数值分析所产生的温度分布不能完全反映顶层的损伤程度.与实测点在相同位置的数值预测温度变化如图12所示.虽然最大温度稍低,但波形与图9(b中的实验结果一致性较好.整个过程持续时间约为800μs,温度从500℃升高到峰值再降低到500℃的时间分别为50μs和750μs.此外,700℃后的降温速率开始减缓,这与实验结果一致.证明了引入电导率温度特性的模型有效性,也说明在直接加热和通电加热实验测得的电导率温度特性可以用于雷击的情况.图11雷击注入最后时刻的顶层温度场Fig.11Temperatureprofileoftoplamina
    attheendofanalysisstep-1图12实测点位置的仿真温度变化曲线Fig.12Temperaturevariationobtainedfromsimulation6结论
    1搭建了直接加热实验和通电加热实验平台,测得的电导率温度特性可应用于雷电流注入CFRP板件的情况,大大降低了获取雷击下CFRP电导率温度特性的难度.2两类实验得到的电导率温度特性具有良好的一致性,说明在环境温升和通电致热的情况下,CFRP电导率的变化是内部碳纤维和树脂共同作用的结果.3采用的光纤测温传感器,因其较高的采样率,能够测得雷击时的瞬时温度.4引入电导率温度特性的仿真模型,能有效预测雷击时CFRP板件的损伤程度和范围.参考文献
    【相关文献】
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