材料工程  2016, Vol. 44 Issue (5): 79-85   PDF    
http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2016.05.013
0

文章信息

冯娟, 顾轶卓, 李敏, 王绍凯, 张佐光
FENG Juan, GU Yi-zhuo, LI Min, WANG Shao-kai, ZHANG Zuo-guang
弱电流对碳纤维/环氧树脂界面黏结性能的影响
Effect of Low Electric Current on Interfacial Bonding Property of Carbon Fiber/Epoxy Resin
材料工程, 2016, 44(5): 79-85
Journal of Materials Engineering, 2016, 44(5): 79-85.
http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2016.05.013

文章历史

收稿日期: 2014-09-09
修订日期: 2015-11-22
弱电流对碳纤维/环氧树脂界面黏结性能的影响
冯娟, 顾轶卓 , 李敏, 王绍凯, 张佐光    
北京航空航天大学 材料科学与工程学院, 北京 100191
摘要: 针对碳纤维/环氧树脂体系,设计了在碳纤维单丝复合体系加载弱电流的方法,并通过单丝断裂实验,研究了弱电流对两种碳纤维/环氧树脂界面黏结性能的影响。结果表明:在0.60~0.67mA直流电加载一定时间后,T300B和T700SC碳纤维体系的界面黏结强度均下降,界面载荷传递效率降低,随着电流加载时间的延长,降低程度变化不明显;T300B碳纤维体系界面性能对弱电流的敏感性更高,可能与两种碳纤维的表面特性不同有关;通过对不同固化度试样加载弱电流后的界面性能进行分析,认为碳纤维/环氧树脂界面性能受弱电流影响的机理与界面区应力状态改变以及导电产生的焦耳热效应有关。
关键词: 碳纤维    环氧树脂    单丝断裂    界面性能    弱电流   
Effect of Low Electric Current on Interfacial Bonding Property of Carbon Fiber/Epoxy Resin
FENG Juan, GU Yi-zhuo , LI Min, WANG Shao-kai, ZHANG Zuo-guang    
School of Materials Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China
Abstract: The method of low current loading on single carbon fiber composite system was designed for carbon fiber/epoxy resin. By means of single fiber fragmentation test, the effects of low current on interfacial bonding properties of two kinds of carbon fiber/epoxy resin systems were investigated. The results show that the interfacial bonding strength and interfacial load transfer efficiency of T300B and T700SC carbon fiber systems decrease after loading with 0.60-0.67mA direct current. The decreasing degrees do not change obviously with current-loading time. The interfacial bonding property of the T300B carbon fiber system shows higher sensitivity to low current. This may be attributed to different surface characteristics of the two carbon fibers. By changing the curing degree of the matrix, the interfacial bonding strength of samples after low current loading was analyzed, and the mechanism of carbon fiber/epoxy resin interfacial property affected by low current is related to change of stress state at interfacial region and the joule heating effect generated by current.
Key words: carbon fiber    epoxy resin    single fiber fragmentation    interfacial property    low current   

碳纤维增强树脂基复合材料具有高比强度、比模量,可设计性强,抗疲劳性好,耐腐蚀,易于大面积成型等优点,作为一种性能优异的结构材料在航空航天等领域中得到了广泛应用。随着碳纤维复合材料用量的增加,复合材料在服役环境下的力学特性与损伤行为受到广泛关注。在众多的环境损伤形式中,复合材料的电热损伤问题近年来引起国际航空界的重视,并多以千安培(kA)级强电流作用环境为主。例如,美国华盛顿大学航空与航天部Feraboli等[1, 2]设计了雷击实验,用来模拟雷击时的真实场景,评价碳纤维/环氧树脂复合材料的抗损伤性能;Hirano等[3, 4]设计实验模拟真实雷击场景,研究雷击后碳纤维复合材料破坏形式与损伤后的形貌;肖辉江[5]研究了复合材料雷达罩的防雷测试方法。

对于低强度电流(安培级,A)引起的复合材料电热损伤问题则长期被忽视,而飞机在飞行过程中,其结构材料中不可避免地要承载和传递各种特征复杂的安培级弱电流,其形成原因可分为3种类型[6]:(1)在雷击远端的电流可降至安培级;(2)由机载电子设备引起的电流,其发生频率较高,对材料作用的累计时间长;(3)由结构表面静电荷累积放电产生的电流,这类电流同样幅值较低,但发生频率较高,对材料作用的累计时间长。这些弱电流通过金属结构时不会引起性能劣化,但是对于碳纤维复合材料结构,由于其导电率低、温度敏感性高、组成多元性、结构多重性等原因,有可能产生损伤和性能劣化。目前,该方面的研究仅有少量报道,例如,Telitchev等[7, 8] 和Sierakowski等[9]研究了25A和50A直流电通过碳纤维复合材料后其抗冲击性能的变化,发现短时间电流作用可提高复合材料的抗冲击性能,而长期电流作用可使复合材料产生明显的焦耳热,引起性能下降;王志平等[10]和韩志勇等[11]采用自主研制的电热损伤实验装置测试分析了碳纤维复合材料层板的电流-复合材料温度场特性,发现在A级电流作用下,复合材料温度明显升高,并导致拉伸强度、弹性模量及泊松比发生变化。上述工作表明,需要深入研究弱电流对碳纤维复合材料性能的影响和作用机理,为建立复合材料结构电热损伤安全评估体系奠定理论与技术基础。

界面对复合材料性能起着决定作用,为了揭示弱电流对复合材料性能的影响机理,需要了解弱电流对界面的影响,因此,本工作采用单丝断裂法测试分析弱电流加载一定时间后碳纤维/环氧树脂界面黏结性能的变化,探讨了界面性能的变化机理。

1 实验材料与方法 1.1 实验材料及设备

T300B(3K)碳纤维,日本东丽;T700SC(12K)碳纤维,日本东丽;A0环氧树脂,自制;改性多元胺固化剂,自制。

DL-101型真空烘箱;Agilent U8002A单路输出直流电源;DSC 1型差示扫描量热仪;自制偏光拉伸仪。

1.2 实验方法 1.2.1 单丝断裂试样制备

单丝复合体系试样尺寸如图 1所示,将单根碳纤维两端分别黏附1.2g重吊坠,然后将其固定在哑铃型模具上。环氧树脂与固化剂以100∶35的配比混合均匀,室温下抽真空至气泡消失后浇注哑铃型型腔,在烘箱中于70℃固化一定时间,自然冷却至室温。

图1 单丝复合体系试样尺寸 Fig.1 Dimension of single-fiber composite system sample
1.2.2 固化度计算

环氧树脂的固化度按如下公式计算:

(1)

式中:αt为固化度;ΔHt为试样残余固化放热量,J/g;ΔH0为完全未固化试样的总固化放热量,J/g。

DSC测试固化放热量的实验条件:测试温度范围为25~150℃;升温速率为10℃/min。

1.2.3 弱电流的加载

弱电流加载方式:制备单丝断裂试样时,图 1所示哑铃型试样两端预留出2~3cm的碳纤维单丝,如图 2所示,将预留的碳纤维粘贴到导电铜块上,用导线将铜块引到电源上形成导电回路,通过直流电源控制加载在碳纤维单丝上电流值和作用时间。

图2 弱电流加载方式图 (a)实物图;(b)示意图 Fig.2 Loading way of low current (a) real diagram;(b) schematic diagram

弱电流的大小: 电流的作用效果与电流密度相关,电流密度计算公式如下:

(2)

式中:J为电流密度,A/m2I表示电流,A;S表示截面积,m2

所采用的Agilent U8002A单路输出直流电源有恒定电流电压输出模式,在不考虑单根碳纤维截面积差别的前提下,调节输出电流的大小可以控制输入到碳纤维上的电流密度大小。

(3)

式中:U为电压,V;R为电阻,Ω;ρ为电阻率,Ω·cm;L为碳纤维单丝长度,cm;S为碳纤维单丝截面积,cm2

参考Toray Carbon Fibers America,Inc.手册中所给定的碳纤维参数,其中T300B(3K)碳纤维电阻率为1.7×10-3Ω·cm,T700SC(12K)碳纤维电阻率为1.6×10-3Ω·cm;两种碳纤维直径均为7μm。

调节输出的电压大小为30V,在哑铃型成型试样两端预留出2~3cm碳纤维作为导电电极,由上述公式计算获得施加约0.60~0.67mA的电流,理论电流密度约为3.89×106~1.63×107A/m2

1.2.4 单丝断裂拉伸测试

采用北京航空航天大学自制的显微偏光拉伸仪测试碳纤维单丝与树脂基体的界面黏结性能,设备主要包括微拉伸系统和偏光显微观察系统。通过连接的计算机程序控制拉伸过程,实时记录试样应力-应变曲线[12]。对哑铃型试样施加轴向拉伸载荷,载荷通过界面从树脂传递给纤维。由于树脂基体的断裂伸长率大于纤维的伸长率,纤维会先发生断裂。随着载荷的增加,当界面传递的载荷不足以使纤维断裂时,纤维的断点数达到饱和。通过偏光显微镜可以观察到断点处因基体塑性形变而出现的双折射现象,以此记录各应变状态下断点形貌和纤维的断点数[13]

通过Kelly-Tyson[14]公式计算界面黏结强度:

(4)

式中:τ,σf(Lc),,df分别表示界面黏结强度,临界饱和断裂长度时纤维强度,平均临界断裂长度,纤维直径;k一般取3/4。

固化的单丝断裂试样电流的加载方式如图 2所示,一定时间后,停止加载电流,采用偏光拉伸仪对试样进行拉伸和偏光显微观察,分析界面黏结性能的变化。

2 结果与分析 2.1 弱电流加载的稳定性

为考察试样上加载电流的精度和稳定性,分别对T300B和T700SC碳纤维单丝断裂试样加载电流60min,每隔5min测试1次电流值,结果如图 3所示,可以看出两种试样加载的电流值在0.60~0.67mA范围内,不同试样之间电流值波动较小,且随时间变化不明显,说明加载电流稳定。

图3 单丝断裂试样加载电流值 (a)T300B;(b)T700SC Fig.3 Current value of single fiber fragmentation specimens (a)T300B;(b)T700SC
2.2 弱电流对界面黏结性能的影响 2.2.1 T300B体系

加载0.60~0.67mA电流一定时间后,测试T300B碳纤维与A0环氧树脂的界面黏结强度,如图 4所示。未加载电流时界面黏结强度为(57.32±3.06)MPa,加载电流1,2,4h后的界面黏结强度分别为(48.28±2.18),(43.44±1.43),(48.61±1.20)MPa,相比于未加载电流的界面黏结强度分别降低15.8%,24.2%和15.2%,结果表明加载电流会降低界面黏结性能,加载时间延长后,降低幅度变化并不明显。

图4 不同加载电流时间后T300B/环氧树脂的界面黏结强度 Fig.4 Interfacial bonding strength of T300B/epoxy resin after loaded current for different time

图 5为断点处偏光照片,由于拉伸过程中基体出现较大的塑性形变,在偏光显微镜下观察到光线突出的偏光图,界面黏结强,载荷传递效率高,偏光效果越明显。若纤维断点附近的基体与纤维脱粘,界面将不能有效地将载荷传递给纤维。图 5(a)是未加载电流试样的偏光图,所示偏光效果明显,界面脱粘长度[15]较短;图 5(b)是加载电流1h试样的偏光图,由于纤维与基体树脂发生脱粘,纤维断点附近沿纤维轴向因基体塑性变形而出现平行亮线;如图 5(c),(d)所示,当界面黏结性能进一步变弱时,纤维断点处基体与纤维完全脱粘,同时脱粘长度大于未加载电流试样,上述结果说明弱电流作用后的碳纤维/环氧树脂界面黏结性能降低。

图5 T300B/环氧树脂试样在应变为4.0%下不同加载电流时间的断点处偏光照片 (a)0h;(b)1h;(c)2h;(d)4h Fig.5 Birefringence images of fiber break point for T300B/epoxy resin sample under 4.0% strain for different loading current time (a)0h;(b)1h;(c)2h;(d)4h

图 6为T300B/环氧树脂单丝断裂实验过程的应力-应变曲线。可以看出,由于加载电流后界面黏结强度减小,导致应力传递效率降低,试样的最大应力值低于未加载电流的情况。

图6 不同加载电流时间的T300B/环氧树脂试样单丝断裂实验应力-应变曲线 Fig.6 Stress-strain curves of single fiber fragmentation testing for T300B/epoxy sample after loading current for different time
2.2.2 T700SC体系

加载0.60~0.67mA电流一定时间后,测试T700SC碳纤维与环氧树脂的界面黏结强度,如图 7所示。未加载电流试样的界面黏结强度为(41.49±2.30)MPa,加载电流1h后界面黏结强度为(37.99±4.58)MPa,降低了8.4%;加载电流2h后为(38.30±0.73)MPa,较未加载电流情况下降了7.7%;加载电流4h后为(38.58±1.79)MPa,较未加载电流下降了7.0%。图 8为T700SC断点处的偏光照片,可以看出T700SC体系的纤维断点处界面脱粘更明显,因此,其界面黏结强度受弱电流影响规律与T300B体系相似,即加载电流会使界面黏结强度降低,加载时间延长后,降低幅度变化不明显。但T700SC体系界面性能下降幅度较小,这是因为两种碳纤维的表面特性和上浆剂种类不同,形成的界面性质也不同,其中T700SC体系的界面黏结性能更低[16],因此不同碳纤维/环氧树脂界面黏结性能对弱电流的敏感性也不同。

图7 不同加载电流时间后T700SC/环氧树脂的界面黏结强度 Fig.7 Interfacial bonding strength of T700SC/epoxy resin after loading current for different time
图8 T700SC单丝复合体系应变为4.8%时不同加载电流时间下的断点处偏光图 (a)0h;(b)1h;(c)2h;(d)4h Fig.8 Birefringence images of fiber break point for T700SC single-fiber composite system under 4.8% strain for different loading current time (a)0h;(b)1h;(c)2h;(d)4h
2.2.3 弱电流对不同固化状态T300B体系界面黏结性能的影响

关于电流对碳纤维复合材料性能的影响机理,目前主要归结于电流通过碳纤维时,会因碳纤维及复合材料较高的电阻而产生焦耳热,在很短的时间内(几分钟或更短),复合材料产生明显温升,若超过树脂的耐热温度时,则引起内部的损伤[9]。本工作中,由于试样中只有一根单丝碳纤维且电流较低,产生的焦耳热很少,未检测到试样有明显的温度变化,但是考虑到树脂导热率很低,界面区域宽度很小(100nm左右)[17],碳纤维产生的焦耳热有可能对界面区域产生影响,使界面区域的固化状态发生变化,从而影响界面黏结性能。

为了分析这种推断的合理性,制备了未完全固化的T300B单丝断裂试样,其固化条件为70℃,1h,固化度为86.4%,而标准固化条件下(70℃,6h)固化度为98.6%。

图 9给出了两种固化状态试样的界面黏结强度,低固化度下未加载电流的T300B/环氧树脂的界面黏结强度为(38.08±1.76)MPa,明显低于高固化度的情况,这源于交联网络密度对界面黏结性能的作用,而加载弱电流1h和2.5h后界面黏结强度为(41.87±2.16)MPa和(36.93±1.45)MPa,即有微弱增加后又开始下降,且都明显低于高固化度的情况。可以认为,弱电流对界面的固化状态会产生一定影响,但是不会因焦耳热效应使界面区固化度明显提高,进而大幅度提高界面性能。

图9 不同固化度和加载电流时间下T300B/环氧体系的界面黏结强度 Fig.9 Interfacial bonding strength of T300B/epoxy system with different curing degree after loading current for different time

已有研究指出,在电场作用下复合材料的应力状态和力学行为会发生变化,其中包含基体树脂固化度等变化[18, 19]。而由于复合材料性能的各向异性、纤维与基体性能的巨大差异以及电场与应力场的耦合作用等影响,使得这种电场对力学行为的影响十分复杂[9]。在单丝断裂试样固化时,其界面区因树脂固化收缩、纤维和树脂热膨胀不匹配等而形成一定的残余应力,这种应力可能在弱电流作用下发生改变,从而影响了界面性质,并在界面黏结性能上得到反映。通过本工作的研究结果可以说明,碳纤维/环氧树脂界面性能受弱电流影响,其影响机理复杂,并与界面区应力状态改变以及焦耳热效应有关。

3 结论

(1)建立了一种基于单丝断裂实验的研究方法,可以定量分析弱电流对碳纤维/环氧树脂界面黏结性能的影响。

(2)在0.60~0.67mA直流电加载一定时间后,T300B和T700SC碳纤维与环氧树脂的界面黏结强度性能下降,但随着加载电流时间的延长降低程度变化不明显。

(3)弱电流产生的焦耳热效应可以改变界面区的固化程度,从而影响界面黏结性能。

参考文献(References)
[1] KAWAKAMI H, FERABOLI P. Lightning strike damage resistance and tolerance of scarf-repaired mesh-protected carbon fiber composites[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing,2011, 42 (9) : 1247 –1262.
[2] FERABOLI P, MILLER M. Damage resistance and tolerance of carbon/epoxy composite coupons subjected to simulated lightning strike[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing,2009, 40 (6-7) : 954 –967.
[3] 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) : 1461 –1470.
[4] OGASAWARA T, HIRANO Y, YOSHIMURA A. Coupled thermal-electrical analysis for carbon fiber/epoxy composites exposed to simulated lightning current[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing,2010, 41 (8) : 973 –981.
[5] 肖辉江. 复合材料层压板雷电冲击特性试验方法探讨[J]. 玻璃钢/复合材料,1997 (5) : 20 –21. XIAO Hui-jiang. Discuss test method of thundering impulse on laminate[J]. Fiber Reinforced Plastics/Composites,1997 (5) : 20 –21.
[6] GIGLIOTTI M, LAFARIE-FRENOT M, GRANDIDER J. Development of experimental and modelling tools for the characterisation of the thermo-electro-mechanical behaviour of composite materials for aircraft applications[J]. Mechanics and Industry,2011, 12 (2) : 87 –101.
[7] TELITCHEV I Y, SIERAKOWSKI R L, ZHUPANSKA O I. Low-velocity impact testing of electrified composites: part I-application of electric current[J]. Experimental Techniques,2008, 32 (2) : 35 –38.
[8] TELITCHEV I Y, SIERAKOWSKI R L, ZHUPANSKA O I. Low-velocity impact testing of electrified composites: part II-experimental setup and preliminary results[J]. Experimental Techniques,2008, 32 (3) : 53 –57.
[9] SIERAKOWSKI R L, TELITCHEV I Y, ZHUPANSKA O I. On the impact response of electrified carbon fiber polymer matrix composites: effects of electric current intensity and duration[J]. Composites Science and Technology,2008, 68 (3) : 639 –649.
[10] 王志平, 梁吉勇, 张国尚, 等. CFRP复合材料电热特性及力学性能测试与分析[J]. 中国民航大学学报,2013, 31 (1) : 63 –66. WANG Zhi-ping, LIANG Ji-yong, ZHANG Guo-shang, et al. Test and analysis of electrothermal behaviour and mechanical properties on carbon fiber reinforced polymer composite materials[J]. Journal of Civil Aviation University of China,2013, 31 (1) : 63 –66.
[11] 韩志勇, 王晓梅, 左进奎, 等. 碳纤维树脂基复合材料电热损伤温度场研究[J]. 中国民航大学学报,2013, 31 (2) : 63 –66. HAN Zhi-yong, WANG Xiao-mei, ZUO Jin-kui, et al. Research on temperature field of CFRP electric-thermal damage[J]. Journal of Civil Aviation University of China,2013, 31 (2) : 63 –66.
[12] 武海生, 孙志杰, 贾晶晶, 等. 高性能有机纤维单丝复合体系界面粘结性能实验研究[J]. 复合材料学报,2010, 27 (4) : 59 –63. WU Hai-sheng, SUN Zhi-jie, JIA Jing-jing, et al. Experimental study on the interfacial bonding properties of high-performance organic fibers in single fiber fragmentation test[J]. Acta Materiae Compositae Sinica,2010, 27 (4) : 59 –63.
[13] 樊序敏, 顾轶卓, 刘亚男, 等. 碳纳米管浸润剂对碳纤维/环氧树脂界面性能的影响[J]. 复合材料学报,2012, 29 (4) : 17 –22. FAN Xu-min, GU Yi-zhuo, LIU Ya-nan, et al. Effects of wetting agent containing carbon nanotubes on interfacial property of carbon fiber/epoxy resin[J]. Acta Materiae Compositae Sinica,2012, 29 (4) : 17 –22.
[14] KELLY A, TYSON W R. Tensile properties of fibre-reinforced metals: copper/tungsten and copper/molybdenum[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids,1965, 13 (6) : 329 –350.
[15] 王伟霞, 顾轶卓, 李敏, 等. 单丝断裂双树脂法研究碳纤维/环氧树脂界面粘结性能[J]. 复合材料学报,2013, 30 (4) : 1 –6. WANG Wei-xia, GU Yi-zhuo, LI Min, et al. Characterization of interfacial bonding property of carbon fiber/epoxy resin using single fiber fragmentation test with dual matrix composites[J]. Acta Materiae Compositae Sinica,2013, 30 (4) : 1 –6.
[16] 张丽娇, 顾轶卓, 李敏, 等. 炭纤维特性与炭纤维/环氧树脂界面断裂能关联分析[J]. 材料工程,2012 (7) : 81 –85. ZHANG Li-jiao, GU Yi-zhuo, LI Min, et al. Correlation between properties of carbon fibers and interfacial fracture energy of carbon fiber/epoxy resin[J]. Journal of Materials Engineering,2012 (7) : 81 –85.
[17] 易楠, 顾轶卓, 李敏, 等. 碳纤维复合材料界面结构的形貌与尺寸的表征[J]. 复合材料学报,2010, 27 (5) : 36 –40. YI Nan, GU Yi-zhuo, LI Min, et al. Characterization on topography and dimension of the interphase structure in carbon fiber composites[J]. Acta Materiae Compositae Sinica,2010, 27 (5) : 36 –40.
[18] CHIPPENDALD R D, GOLOSNOY I O, LEWIN P L, et al. Transport properties and current flow patterns in homogeneous strongly anisotropic materials[J]. COMPEL: The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering,2011, 30 (3) : 1047 –1055.
[19] ZHUPANSKA O I, SIERAKOWSKI R L. Electro-thermo-mechanical coupling in carbon fiber polymer matrix composites[J]. Acta Mechanica,2011, 218 (3) : 319 –332.