CFRP复合材料电热损伤的电学表征方法研究

摘要

本文研究了两种航空碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称CFRP）的电热作用机理及相关的电学表征方法。通过温度场、纵向体积电阻以及介电性能测试分析了CFRP的电热特性，完成了电热损伤特征参量的提取。采用傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）和差示扫描量热仪（DSC）研究了电热作用前后CFRP中环氧树脂基体的物理及化学变化。深入探讨了电热作用前后CFRP的静态力学性能以及动态力学性能变化规律。利用激光共焦显微镜和扫描电镜分别观察了电热作用前后的CFRP的表面形貌和断口形貌，分析其失效特征并总结了电热损伤机理。
　　本研究主要内容包括：⑴电热特性研究结果表明，电热作用下T300/E52和T300/970两种复合材料的温度场随时间均呈现先迅速上升后稳态平衡趋势。对于 T300/E52复合材料，电流密度小于0.125A·mm-2的电热作用使其表面温度场分布均匀，纵向体积电阻降低以及介电性能提升；大于0.125A·mm-2的电热作用在中间区域形成较高温度场，纵向体积电阻升高以及介电性能下降。介电频谱测试表明，介电常数和损耗角正切值随测试频率增加而降低， AC电导率随频率增加先恒定后迅速上升。对T300/970复合材料，玻璃化转变温度附近的电热作用（电流密度范围为0.25~0.31A·mm-2）基本上使其导电性能下降，介电性能提升。损耗角正切值由于对基体、界面损伤较为敏感，且电热作用对其影响较大，可作为特征参量。⑵电热作用后T300/970复合材料的 FT-IR图谱中没有出现明显的新峰，羟基峰整体上在增强，这与环氧树脂发生后固化有关。羰基峰的略微增强表明环氧树脂发生了氧化反应。电热作用后复合材料的DSC曲线表明，环氧树脂的玻璃化转变温度明显上升，这也说明环氧树脂发生后固化反应。⑶电热作用后T300/970复合材料的动态力学分析发现，试样的玻璃化转变温度最大上升25℃，储能模量也有明显提升，说明电热作用不仅使复合材料发生后固化，还对其有物理老化效果。三点弯测试表明，低于0.125A·mm-2的电热累积作用使 T300/E52复合材料的弯曲强度和弯曲模量最大分别提升11.8％和7.32%；高于0.125A·mm-2时，弯曲强度和弯曲模量最大降低8.26%和6.52%。对于T300/970复合材料，8~9A的电热作用对其造成微损伤，使其弯曲性能最大降低13%；9.5~10A电热作用下，后固化和物理老化速率加快，使试样的弯曲性能有一定回升。⑷表面形貌观测发现，电热作用使 T300/970复合材料发生层间基体微开裂，这主要是由纤维和基体的热膨胀系数不匹配，在试样中产生的残余热应力导致的。断口形貌分析表明，电热作用使试样断口粗糙，分层明显，纤维/基体界面粘结性能恶化，引起界面微开裂，并且界面损伤的出现要早于基体微开裂损伤。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 碳纤维树脂基复合材料简介

1.2 CFRP的损伤检测

1.3 CFRP电-热-力行为的研究现状

1.4 研究背景及主要内容

第二章 实验部分

2.1 实验原材料

2.2 实验仪器及设备

2.3 试样制备

2.4 电热作用实验

2.5 性能测试及表征

2.6 成分及形貌分析

第三章 基于介电性能研究T300/E52复合材料电热作用机制

3.1 T300/E52复合材料的电热特性

3.2 电热累积作用对T300/E52复合材料弯曲性能的影响

3.3 断口形貌观察及失效分析

3.4 本章小结

第四章 电热作用对T300/970复合材料电学、力学性能的影响

4.1 T300/970复合材料的电热特性

4.2 电热作用对T300/970复合材料表面形貌的影响

4.3 电热作用对T300/970复合材料的FT-IR光谱的影响

4.4 电热作用后T300/970复合材料的热分析

4.5 电热作用对T300/970复合材料弯曲性能的影响

4.6 电热作用对T300/970复合材料断口形貌的影响

4.7 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 全文总结

5.2 展望

致谢

参考文献

研究生期间公开发表的学术论文