电⁃湿耦合作用下碳纤维增强树脂基复合材料损伤机制

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.10.006

中国塑料 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (10): 39-45.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2022.10.006

电⁃湿耦合作用下碳纤维增强树脂基复合材料损伤机制

王志平(), 陈灏(), 路鹏程

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

收稿日期:2022-07-17 出版日期:2022-10-26 发布日期:2022-10-27
通讯作者: 陈灏（1996-），男，研究生，主要研究方向为碳纤维树脂基复合材料，1037123397@qq.com
E-mail:zpwang@cauc.edu.cn;1037123397@qq.com
作者简介:王志平（1963-），男，教授，主要研究方向为航空材料加工与测试，zpwang@cauc.edu.cn
基金资助:
天津市教委科研计划项目(2021KJ051)

Damage mechanism of carbon⁃fiber⁃reinforced polymeric composites under electric⁃wet coupling action

WANG Zhiping(), CHEN Hao(), LU Pengcheng

Tianjin Key Laboratory of Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China

Received:2022-07-17 Online:2022-10-26 Published:2022-10-27
Contact: CHEN Hao E-mail:zpwang@cauc.edu.cn;1037123397@qq.com

摘要/Abstract

摘要：

针对航空结构碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在电⁃湿耦合多场作用下的损伤机制进行研究，采用复合材料电⁃湿耦合环境测试平台对CFRP试样进行电⁃湿耦合处理，对试样表面温度进行实时监测，获得试样表面温度随电流强度大小与通电时间的变化规律，以及不同电流强度下CFRP试样的失重率变化；对不同环境条件处理后的CFRP试样进行弯曲性能测试，并对其断口形貌与表面形貌进行观测和分析。结果表明，通电电流强度越大，CFRP试样的表面稳定温度越高，同一电流值处理下CFRP试样表面稳定温度随通电时间的增加呈上升趋势；经9 A电⁃湿耦合处理24 h后的试样，其试样吸湿开始大于脱湿，经10 A电⁃湿耦合处理96 h后的试样达到吸湿⁃脱湿平衡，经12 A、15 A电⁃湿耦合处理后的试样出现不同程度的质量损失；不同电流强度电⁃湿耦合处理后，对界面均有一定程度损伤，使得弯曲强度下降，下降幅度与电流强度呈正相关。

关键词: 复合材料, 电热响应, 失重率, 弯曲性能, 界面性能

Abstract:

In this paper， the damage mechanism of carbon⁃fiber⁃reinforced polymeric composites with an aviation structure was studied under the electro⁃wet coupling multiple fields. The electro⁃wet coupling environment⁃test platform was used to perform an electro⁃wet coupling treatment for the composites. The surface temperature of the composite samples was monitored in real time， and the evolution rule of the surface temperature with current intensity and electrification time was obtained. Moreover， a change in weightlessness rate under different current intensity was also obtained for the composite samples. The bending properties of the composite samples treated with different environmental conditions were measured， and their fracture morphology and surface morphology were observed and analyzed. The results indicated that the higher the energization current intensity， the higher is the stable surface temperature of the composite samples. The surface stable temperature of the composite samples increased with an increase in energization time at the same current value， and the moisture absorption tended to be greater than the dehumidification. After the 10 A electric⁃wet coupling treatment for 96 h， the composite samples reached the equilibrium of moisture absorption and dehumidification， and the samples after 12 A and 15 A electric⁃wet coupling treatment presented different mass losses. After the electro⁃wet coupling treatment at different current intensities， the sample interface was damaged to a certain extent. This makes the bending strength decrease， and the decrease range is positively correlated with the current intensity.

Key words: composite, electrothermal response, weightlessness rate, flexural performance, interfacial property

中图分类号:

TQ327.3

王志平, 陈灏, 路鹏程. 电⁃湿耦合作用下碳纤维增强树脂基复合材料损伤机制[J]. 中国塑料, 2022, 36(10): 39-45.

WANG Zhiping, CHEN Hao, LU Pengcheng. Damage mechanism of carbon⁃fiber⁃reinforced polymeric composites under electric⁃wet coupling action[J]. China Plastics, 2022, 36(10): 39-45.

图/表 7

图1 碳纤维增强树脂基复合材料环境测试平台及端面涂覆导电银胶的CFRP试样

Fig.1 CFRP specimen of carbon fiber reinforced resin matrix composite material and CFRP specimen with end face coated with conductive silver glue

图2 不同环境条件下电⁃湿耦合处理循环次数与温度的变化

Fig.2 Cycle times and temperature changes of electric⁃wet coupling treatment under different environmental conditions

图3 不同电流值电⁃湿耦合处理下试样失重率随时间的变化规律

Fig.3 The change of specimen weight loss rate with time under different current values of electric⁃wet coupling treatment

图4 电⁃湿耦合处理前后CFRP 试样的弯曲强度

Fig.4 Flexural strength of CFRP specimens before and after electric⁃wet coupling treatment

图5 不同环境条件处理后CFRP试样的弯曲失效特征

Fig.5 Bending failure characteristics of CFRP specimens treated with different environmental conditions

图6 不同环境条件处理后试样侧面的微观形貌

Fig.6 The micro⁃morphology of the side surface of the sample after treatment under different environmental conditions

图7 不同环境条件试样垂直于纤维方向截面微观形貌

Fig.7 Micro⁃morphology of the cross⁃section perpendicular to the fiber direction of the samples under different environmental conditions

参考文献 19

1	Gigliotti M， Lafarie⁃Frenot M C， Lin Y， et al. Electro⁃mechanical fatigue of CFRP laminates for aircraft applications［J］. Composite Structures， 2015， 127： 436⁃449.
2	Sr A， Rr B， Mm A. The influence of hygrothermal environments on the stress concentration in unidirectional composite lamina［J］. Mechanics of Materials， 2019， 129：332⁃340.
3	Mamalis D， Floreani C， Brádaigh C M Ó. Influence of hygrothermal ageing on the mechanical properties of unidirectional carbon fibre reinforced powder epoxy composites［J］. Composites Part B： Engineering， 2021， 225： 109281.
4	罗锐祺，刘勇琼，廖英强，等. 碳纤维增强环氧树脂复合材料力学性能影响因素的研究进展［J］. 材料导报， 2021， 35（z2）： 558⁃563.
	LUO R Q， LIU Y Q， LIAO Y Q， et al. Research pro⁃gress on the influencing factors of mechanical properties of carbon fiber reinforced epoxy resin composites［J］.Materials Reports， 2021， 35（z2）： 558⁃563.
5	杜永，马玉娥.湿热环境下纤维增强树脂基复合材料疲劳性能研究进展［J］.复合材料学报，2022，39（2）：431⁃445.
	DY Y， MA Y E. Fatigue performance of fiber reinforced polymer composites under hygrothermal environment–A review［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2022， 39（2）： 431⁃445.
6	Hirano Y， Katsumata S， Iwahori Y， et al. Artificial lightning testing on graphite/epoxy composite laminate［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2010， 41（10）： 1 461⁃1 470.
7	Harrell T M， Thomsen O T， Dulieu-Barton J M， et al. Damage in CFRP composites subjected to simulated lighting strikes Assessment of thermal and mechanical responses［J］. Composites， 2019， 176（1）：107298.1⁃107298.11.
8	Zhang L， Wang Y， Yang D， et al. Multilayer two⁃dimensional lignin/ZnO composites with excellent anti⁃UV aging properties for polymer films［J］. Green Chemical Engineering， 2021， doi.org/10.1016/j.gce.2021.12.003.
9	Zantout A E， Zhupanska O I. On the electrical resistance of carbon fiber polymer matrix composites［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2010， 41（11）： 1 719⁃1 727.
10	Deierling P E， Zhupanska O I. Experimental study of high electric current effects in carbon/epoxy composites［J］. Composites Science and Technology， 2011， 71（14）： 1 659⁃1 664.
11	Haider M F， Majumdar P K， Angeloni S， et al. Nonlinear anisotropic electrical response of carbon fiber⁃reinforced polymer composites［J］. Journal of Composite Materials， 2018， 52（8）： 1 017⁃1 032.
12	Alam P， Robert C， Brádaigh C M Ó. Tidal turbine blade composites⁃a review on the effects of hygrothermal aging on the properties of CFRP［J］. Composites Part B： Engineering， 2018， 149： 248⁃259.
13	刘登俊，关庆丰，王志平，等.电热处理对湿热环境作用下碳纤维环氧复合材料的损伤机制［J］.机械工程学报，2017，53（18）：64⁃70.
	LIU D J， GUAN Q F， WANG Z P， et al. Damage mechanism of electrothermal treatment on carbon fiber epoxy composites under hygrothermal environment［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2017， 53（18）： 64⁃70.
14	纪朝辉，毕亚芳，路鹏程，等.电热作用对碳纤维/环氧树脂基复合材料吸湿行为的影响［J］.复合材料学报，2017，34（2）：308⁃313.
	JI Z H， BI Y F， LU P C， et al. Electric⁃thermal effects on moisture absorption behavior of carbon fiber/epoxy resin composites［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2017， 34（2）： 308⁃313.
15	Kotikalapudi S T， Akula R， Singh R P. Degradation mechanisms in carbon fiber–epoxy laminates subjected to constant low⁃density direct current［J］. Composites Part B： Engineering， 2022， 233： 109516.
16	李晓骏，许凤和，陈新文. 先进聚合物基复合材料的热氧老化研究［J］. 材料工程， 1999（12）： 19⁃22，30.
	LI X J， XU F H， CHEN X W. Study of thermooxidizing aging of advanced polymer matrix composites［J］. Journal of Materials Engineering， 1999（12）： 19⁃22，30.
17	于洋，樊威，薛利利，等. 热氧老化对三维编织碳纤维⁃玻璃纤维/双马来酰亚胺树脂复合材料力学性能的影响［J］. 复合材料学报， 2021， 38（12）： 4 060⁃4 072.
	YU Y， FAN W， XUE L L， et al. Influence of thermo⁃oxidative aging on the mechanical performance of three⁃dimensional braided carbon fiber⁃glass fiber/bismaleimide composites［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2021， 38（12）： 4 060⁃4 072.
18	Hancox N L. Thermal effects on polymer matrix compo⁃sites： part 1. thermal cycling［J］. Materials & Design， 1998， 19（3）： 85⁃91.
19	Wu Y， Xun L， Huang S， et al. Crack spatial distributions and dynamic thermomechanical properties of 3D braided composites during thermal oxygen ageing［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2021， 144： 106355.

[1]	贾明印, 董贤文, 王佳明, 陈轲. 浸渍方式对纤维增强聚酰胺6复合材料真空袋压成型工艺及性能的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(9): 1-6.
[2]	张林, 夏章川, 何亚东, 信春玲, 王瑞雪, 任峰. 等离子体射流载气流量大小对玻璃纤维改性效果影响的研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(9): 7-15.
[3]	焦志伟, 王克琛, 张杨, 杨卫民. 基于碳纳米涂层沉积滑石粉与炭黑协同填充PVC/ABS复合材料的性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(8): 10-15.
[4]	喻九阳, 王众浩, 陈琦, 夏亚忠. 基于阀体制造的先进树脂基复合材料性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(8): 16-22.
[5]	张陶忠, 陈晓龙, 郝晓宇, 于福家. 滑石、CaCO₃、BaSO₄填充PP复合材料力学性能及界面相互作用对比[J]. 中国塑料, 2022, 36(8): 36-41.
[6]	曲玉婷, 王立梅, 齐斌. 聚乙二醇对聚乳酸/淀粉纳米晶复合材料性能的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(8): 56-61.
[7]	冯冰涛, 王晓珂, 张信, 孙国华, 汪殿龙, 侯连龙, 马劲松. 连续碳纤维增强热塑性复合材料制备与应用研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 165-173.
[8]	宋银宝, 杨建军, 李传敏. PDMS/SiC功能梯度复合材料性能与制造精度研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 30-36.
[9]	杨小龙, 陈文静, 李永青, 闫晓堃, 王修磊, 谢鹏程, 马秀清. 导电型聚合物/石墨烯复合材料的研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 165-173.
[10]	王轲, 龙春光. PE⁃UHMW/海泡石纤维复合材料的力学性能与摩擦学性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 19-23.
[11]	陈胜, 梁颖超, 吴方娟, 方辉, 范新凤, 陈晖, 王永刚. 聚酰胺6/双向经编玻璃纤维复合材料的制备及其界面改性研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 24-28.
[12]	刘文, 师文钊, 刘瑾姝, 陆少锋, 周红娟. 电致形状记忆复合材料研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 175-189.
[13]	阮芳涛, 夏成龙, 张宝根, 曹叶, 刘志, 徐珍珍, 章劲草. 芳纶包覆碳纤维增强环氧树脂的轴向压缩性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 19-23.
[14]	彭博, 肖运彬, 顾家宝, 陈梓钧, 唐雁煌, 朱刚, 徐焕翔. 聚合物/石墨烯复合材料制备与性能研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 190-197.
[15]	宋立健, 张有忱, 左夏华, 张政和, 安瑛, 杨卫民, 谭晶, 程礼盛. 自组装单分子层调控界面热输运的研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 60-69.

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Damage mechanism of carbon⁃fiber⁃reinforced polymeric composites under electric⁃wet coupling action

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