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2016年第4期玻璃钢/复合材料21电热载荷对CFRP修理搭接接头剪切性能的影响朱晨,张俊,路鹏程,王涛(1.中国民航大学,天津市民用航空器适航与维修重点实验室,天津300300;2.广州飞机维修工程有限公司,广州510470)摘要:采用单层预浸料搭接简化构型,研究电热栽荷对复合材料层板挖补修理搭接接头层间剪切性能的影响。通过自制的复合材料电热测试平台,测试了不同电流制度下,随搭接长度不同试样接头处温度分布。研究了不同电流强度下搭接接头温度变化规律,初步揭示了搭接接头长度.温度.电阻之间的关系,并对不同电流载荷下挖补搭接接头的层间剪切性能进行研究。研究结果表明,通电过程中,搭接区域温度升高较快,非搭接区域温度无明显变化。低电流时,电热促使接头树脂进一步固化,适当提高了接头搭接界面的粘接性能,其剪切强度略有上升;当通电电流过大时,接头温度急剧上升,对搭接区域产生过热损伤,降低了接头的剪切强度。关键词:CFRP修理;单层搭接;电热载荷;剪切强度———中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:10030999(2016)040021051引言挖补法作为一种碳纤维树脂基复合材料的常规结构修理方法,因其修理后结构对称,强度恢复率较高,对气动外形影响较小,已经被广泛用于飞机复合材料的结构修理中。然而修补后的复合材料已不是最佳结构形式,在服役过程中会受到机械H、湿热]、疲劳、雷击等多种环境损伤的威胁,而碳纤维复合材料修补区域对疲劳、机械、高低温较为敏感,易造成接头老化,导致修理构件强度下降,对航空器的飞行安全造成威胁j。因此,针对构件修理区域搭接接头老化研究就显得极为关键。然而,复合材料结构电热损伤尤其是低强度电流作用引起的电热损伤的探测和评估近几年来才受到关注。Sierakowski团队研究了安培级电流产生的焦耳热效应对CFRP抗冲击性能的影响。美国华盛顿大学l9和日本Hirano研究团队。。设计了雷击实验系统模拟雷击时的真实场景,研究了强电流(10~50kA)对CFRP材料的性能和微观组织的影响,证实了CFRP受到雷击损伤后,强度明显降低。Gigliot-“tia[和Zhupanska_1'¨等人对电流作用下的CFRP表面温度场进行了测试及模拟,建立了电流强度与温度场之间的关系。文献[14,15]从实验和多物理场理论角度研究了安培级电流和电磁场对CFRP的影响。但是,针对修补后的CFRP层合板电热损伤和失效过程未见相关报道。电热作用会对CFRP修补后搭接接头产生不可见的热损伤,降低构件结构强度,对飞行安全造成隐患,而目前缺乏相关有效的风险评估手段。因此,研究电热对修补后复合材料接头性能的演化规律具有重要的理论与实践意义。本文针对电热载荷下CFRP挖补修理结构的搭接接头剪切性能进行研究,采用简化的湿铺层单层搭接试样构型。此构型厚度较小,能减弱单搭接试件在拉伸载荷下的载荷偏移,减小试件搭接界面两端产生的剥离力,避免造成试件搭接界面两端发生混合型破坏(剪切破坏、拉伸破坏),从而导致剪切强度值偏离范围变大。因而,预浸料单层搭接构型能更好地揭示电热载荷对层合板挖补修理搭接接头剪切性能的影响机理。2实验2.1实验材料增强材料:聚丙烯腈基(PAN)碳纤维3K平纹织物,面密度为0.018g/cm,厚度为0.32mm,由日本东丽公司提供。树脂基体:双酚A型环氧树脂(E51),聚酰亚胺固化剂体系,由天津市燕海化学有限公司提供。—收稿日期:201511-10本文作者还有颜金。基金项目:国家自然科学基金项目(61471364);中央高校基本科研业务费(3122013Z009)作者简介:朱晨(1957一),男,硕士,教授,主要从事复合材料结构修理研究,czhu@cauc.edu.cn。澳22电热载荷对CFRP修理搭接接头剪切性能的影响2016年4月—导电胶:EPOTEKH20E、Duralco120,由深圳稻田电子材料有限公司提供。2.2试样制备预浸料制备:称取相应质量的E51树脂和聚酰℃亚胺固化剂按照5:3比例配合,在25条件下均匀搅拌5min。剪取适当大小的碳纤维织物,将调配好的树脂均匀浸润于纤维织物的表面,使其均匀分布。搭接试样制备:将浸润完全的预浸料切割并进行单层湿搭接,其搭接长度分别为4mm、8mm、12mm、16mm,具体几何尺寸如图1所示,并将制备好的单层搭接试样放人热压罐升温,真空固化4h,罐内压℃力大小为0.34MPa,固化温度为95。图1碳纤维单层搭接试样几何尺寸Fig.1Geometryofsingle-bpjoint制备导电电极:将两种导电胶EPO.TEKH20E、Duralco120按照1:1的比例均匀混合,涂覆在已固化完全的试件两端,放置在空气中6h,固化后用砂纸将端面打磨平整。2.3电热损伤实验将制备好的试样固定于电热平台进行电热加载。每种搭接长度试样分别施加电流大小为0.2A、0.3A、0.4A、0.5A、0.6A,通电时间均为0.5h。2.4测试与表征2.4.1表面温度及电阻测试采用HeitronicsCT一09高精度红外温度测量仪对试样接头表面中心位置温度进行非接触式定点测量,测距为1.5cm,测量精度为I ̄C±(目标温度一仪器温度)x0.6%,并通过获得的电极电压与电分流器电流的比值计算试件电阻。2.4.2剪切强度测试试样经电热损伤实验处理后,采用Instron万能拉伸试验机对试样接头进行拉伸剪切测试。材料试嘲媾验机试验标距为150mm,试验速度为2mm/min。2.4.3表面形态采用HlitachtSU1510型扫描电子显微镜(SEM)观察不同电流载荷处理后接头断裂区域表面形貌。测试条件如下:加速电压为20kV,喷金30s。3结果与讨论3.1碳纤维搭接接头电热特性图2为试样搭接长度一温度一电流对应关系曲线。从图2可以发现,接头的表面温度随电流强度的增加均呈现上升的趋势,因为纤维在制备预浸料时,纤维表面完全包覆树脂,在热压罐层压预浸料过程中,接头层间部分纤维因树脂固化而相互接触,树脂的包覆导致导电性良好的纤维在接头层间区域接触不完全。在对试样进行电加载时,接头连接界面处电荷流动受阻,接触电阻较大,堆积大量焦耳热,导致温度急剧增加。非搭接区域纤维束之间接触良好,表面温度较室温无明显变化。同时,随着搭接长度增加,接头区域层间接触面积变大,接触电阻减小,温度上升趋势减弱。图2碳纤维接头长度一温度一电流关系曲线Fig.2Therelationshipbetweenlen ̄handtemperature—andcurrentofthesin ̄elapjoint试样搭接长度.电流一电阻的对应关系如图3所示。由图可知,随着电流强度的增加,电阻降低,这是因为在CFRP搭接接头固化过程中,树脂基体流动、碳纤维弯曲及固化压力等因素导致层间部分纤维存在直接接触。电载荷下,电子能通过层间接触的纤维进行跃迁,而这种跃迁是一种热激发过程,温度越高跃迁越容易,宏观表现为搭接试样电阻减小。p,a皇0ag24电热载荷对CFRP修理搭接接头剪切性能的影响2016年4月在剪切载荷下,纤维和树脂基体之间整体滑脱,导致纤维之间树脂残留较少,断面光滑,致使剪切强度在宏观上表现为降低的趋势。因而,电热产生的温度越高,对接头界面的粘接性能影响越大。图5经不同电流处理后搭接接头的剪切失效断面图—Fig.5Shearfailurecrosssectionofthesinglelapjointwithdifferentcurrenttreatment4结论(1)碳纤维单层搭接试样在通电过程中,由于搭接区域接触电阻较大,产热量较高,导致接头温度升高较快,而非搭接区域温度较室温变化不大,说明修补搭接层间接触电阻是接头温度急剧升高的主要原因;(2)随着电流强度增加,接头表面温度升高,试样电阻下降。同时,搭接长度越大,电流载荷下接头表面温度及电阻变化趋势减弱;(3)接头剪切强度随电流强度增加,呈现先增℃大后减小的趋势。表面温度低于树脂固化温度(95)时,适当提高了接头层间剪切强度,表面温度高于树脂固化温度时,温度越高强度下降率越大;(4)扫描电镜实验结果表明,通电电流较小、接头温度较低时,接头层间纤维和树脂界面结合状态得到改善,剪切强度略有增加。当电流较大时,电热对接头树脂烧蚀,其结构遭到破坏,弱化了界面结合强度,宏观表现为接头剪切强度降低。参考文献[1]CuiHP,WenWD,CuiHT.Anintegratedmethodforpredictingdamageandresidualtensilestrengthofcompositelaminatesunderlowvelocityimpact[J].Computers&Structures,2009,87(7-8):—456466|≮精[2]SabinaAlessi,GiuseppePitarresi,GiuseppeSpadaro.Effectofhy-drothermalageingonthethermalanddelaminationfracturebehaviourofCFRPcomposites[J].CompositesPartB:Engineering,2014,—67:145153.[3]ChemartinL,LalandeP,PeyrouB,eta1.Directeffectsoflightningonaircraftstructure:analysisofthethermal,electricalandmechani.calconstraints[J].JournalofAerospaceLab,2012,21(5):1-15.[4]HiranoY,KatsumataS,1wahoriY,eta1.Artificiallightningtestingongraphite/epoxycompositelaminate[J].CompositesPartA:Ap・—pliedScienceandManu 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̄jinKeyLaboratoryforCivilAircraftAirworthinessandMaintenance.CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300300,China;2.GuangzhouAircraftMaintenanceEngineeringCo.,Ltd.,Guangzhou510470,China)Abstract:Carbonfiberresinmatrixcompositematerialiswidelyappliedinthefieldofaviation.IthasbecomethenolTnoftheaircraftstructuralrepair.Theelectric.thermal1oadwasstudiedinthepaperandwasDerformedontheCFRPsingle。lapjointafterwetlayuprepair.Thesurfacetemperaturefieldofsingle.1apjointandtheresistanceofsampleweremeasuredbytheself-deviseddamagetestdevice.Thechangerulesoftemperatureandresistanceun.derdifferentcurrentapplicationshavebeeninvestigated.Thescanningelectronmicroscopewasusedtoanalyzethechangesofsurfacemorphologyaftershearfailure.Itdemonstratedthatshearstrengthslightincreasesunderlowelec.triccurrentsincepostcuringofresin.Highercurrentapplicationhasadetrimentaleffectonthepropertiesofthejoint.Shearstrengthdecreasesunderhigherelectriccurrentssincehightemperaturecaninduceinterfacialdamageofjoint.—Keywords:CFRPrepair;singlelapjoint;electric-thermalload;shearstrength(上接第76页)[13]耿东兵,曾黎明,黎义,等.双马来酰亚胺树脂流变特性研究[J].润滑与密封,2007,32(1):149.151.[14]段跃新,赵渠森.BMI树脂化学流变模型及RTM工艺窗13预报研究[J].复合材料学报,2001,18(3):30.33.[15]文友谊,刘立朋,叶宏军,等.BMI树脂化学流变特性及化学流变模型研究[J].工程塑料应用,2015,41(5):101.104.[16]GuY,【JiM,ZhangZ,eta1.Voidformationmodelandmeasuringmethodofvoidformationconditionduringhotpressingprocess[J].PolymerComposites,2010,31(9):1562.1571.—[17]LiM,LiY,ZhangZ,eta1.Pressurewindowanalysisforthinlaminatedcompositesinautoclaveprocess[J].PolymerComposites,20o9,3O(2):169-175.[18]李敏,张佐光,李艳霞,等.复合材料层板热压工艺参数的分—析与优化[J].材料工程,2008(z1):106110.[19]邓卫华,汪信.双马来酰亚胺树脂固化过程的红外光谱分析[J].化学分析计量,2001,10(2):2426.[20]程雷,王汝敏,王小建,等.烯丙基化合物改性双马来酰亚胺树脂的研究进展[J].中国胶粘剂,2009,18(4):5863.EFFECTOFPRESSUREAPPLYINGMoMENToNMECHANICALPROPERT皿SoFCARBONFIBERREINFORCEDMODIFIEDBISMALE耵玎)ECOMPOSITEMATERL———WENQionghua,MAKaiwei,LIBo,WENYouyi(AVICChengduAircraftIndustrial(Group)Co.,Ltd.,Chengdu610092,China)Abstract:Differentialscanningcalorimetry(DSC)wasadoptedtoanalyzethecuringprocessofthemodifiedbismaleimideresinsystem.Theresinviscositywastestedandanalyzed,andthenthreedifferenttemperaturevalues,IO0 ̄C,1IOoCand120 ̄C,wereselectedtoinvestigatetheeffectofpressureapplyingmomentonmechanicalproper-ties.Theresuhsshowthatthemechanicalpropertiesgetalittlebetterwiththelowertemperatureofpressureapply-ingmoment.Differentmechanicalpropertyshowsdifferentsensitivitiestothechangeofpressureapplyingmomentandtensilepropertiesaremoresensitivethancompressiveproperties,flexuralpropertiesandinterlaminarshearpropertiesinthisresearch.Thisresearchprovidesimportantreferencevalueforfurtherstudyonprocesspropertiesofmodifiedbismaleimideresinsystemandmechanicalpropertiesofcarbonfiberreinforcedmodifiedbismaleimidecon.positemateria1.Keywords:composites;bismaleimideresin;prepreg;pressureapplyingmoment;mechanicalproperties陲
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