典型损伤对碳纤维复合材料电热性能的影响研究

摘要

碳纤维复合材料不但具有高比强度和高比模量等优良的力学性能，还具有良好的导电和导热性能，这种结构和功能一体化的特点使碳纤维复合材料在工程上得到了广泛的应用。大型风电叶片或飞机机翼常采用碳纤维复合材料铺层用于电热防冰或除冰，具有加热功能与结构一体化、升温速率快、加热效率高、使用寿命长等优点。然而碳纤维复合材料电热铺层在制造和运输过程中容易产生各种损伤，不仅影响风电叶片低温环境下防冰或除冰效果，而且还会造成巨大的经济损失，甚至发生安全事故。因此，掌握常见损伤对碳纤维复合材料电热性能的影响规律，以及同质修复对电热性能的恢复效果显得尤为重要。
　　考虑到风电叶片所用的材料体系，本文选用了无碱玻璃纤维三轴布/环氧树脂体系和 VIMP工艺制备试样基板，再将碳纤维布手糊成型制备得到完好试样。通过人工预制损伤制备损伤试样，主要包括穿孔损伤和低速冲击损伤，采用贴补手糊工艺对穿孔损伤进行同质修复。
　　本文根据碳纤维复合材料电热铺层在制造和运输过程中产生的实际穿透性损伤，制备了一系列不同损伤程度的损伤试样，模拟穿透性损伤孔径与试样宽度在不同比例下（孔宽比）对碳纤维复合材料电热性能的影响。结果表明，孔宽比对碳纤维复合材料电热性能的影响呈非线性特征，对加热温度场非均匀性和局部最高温度的影响显著；孔宽比达到0.625时，电阻由0.746Ω增大到1.927Ω，局部最高温度由78℃上升到139℃，已经超出了复合材料允许的使用温度环境，需要进行修复。采用同质碳纤维复合材料对Φ30 mm损伤试样进行了修复，研究了不同形状、不同铺层厚度等修复方式对碳纤维复合材料电热性能的影响。结果表明，双层方形碳纤维补片修复能够获得更好的修复效果，修复后试样电阻由0.913Ω恢复到0.654Ω，局部最高温度下降了30℃。
　　本文采用落锤冲击装置来等效评估低速冲击损伤，研究了不同冲击损伤对碳纤维复合材料电热性能的影响。结果表明，随着冲击能量的增大，损伤试样电阻呈非线性增大，且在冲击能量较大时，试样电阻的增大幅度非常明显；在冲击位置的横向会出现局部高温效应，冲击能量越大，温度偏离正常温度越高，最大温差可达17℃。由于冲击损伤较为复杂，宜综合考虑损伤后电阻特性、外观特征和加热特性对损伤进行综合判断评估。
　　本文研究工作对指导碳纤维电热复合材料损伤后电热性能评估以及修复方式选择具有重要意义。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 碳纤维复合材料在风电叶片中的应用现状

1.2 碳纤维复合材料电热性能研究进展

1.3 损伤碳纤维复合材料电热性能研究进展

1.4 论文选题依据

1.5 技术路线和研究内容

第二章 实验部分

2.1 实验原材料

2.2 碳纤维复合材料电热铺层试样的制备方法

2.3 穿孔损伤及其修复实验

2.4 落锤冲击实验

2.5 本章小结

第三章 穿孔损伤及其修复对碳纤维复合材料加热性能的影响研究

3.1 孔宽比对电热性能的影响

3.2 不同修复方式对电热性能的影响

3.3 不同孔宽比损伤试样的修复对电热性能的影响

3.4 本章小结

第四章 低速冲击损伤对碳纤维复合材料电热性能的影响研究

4.1 碳纤维复合材料电热铺层冲击损伤表观分析

4.2 冲击损伤对电阻的影响

4.3 冲击损伤对温度分布的影响

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

附录