Исследование электрических свойств композитного углеродного материала

Мировое авиастроение в настоящее время активно осуществляет замену металлических конструкционных материалов композитными. Основные авиастроительные компании заменяют алюминиевые сплавы и другие материалы при производстве деталей самолетов (фюзеляжей, крыльев, закрылок, килей, стабилизаторов и т. п.) на высокоэффективные композиты [1–4]. Объем использования композиционных материалов (КМ) в конструкции планера гражданских современных самолетов достигает до 50 % по весу, например Boeing 787–50 %, AirbusA380–30 %, Airbus A350–50 %. В конечном итоге это приводит к получению резерва веса, который может быть использован для увеличения дальности полета или полезной нагрузки. Применение композиционных материалов в авиационной промышленности значительно снижает материалоемкость конструкций, увеличивает до 90 % коэффициент использования материала, уменьшает количество оснастки и резко снижает трудоемкость изготовления конструкций за счет уменьшения в несколько раз количества входящих в них деталей. Снижение этих расходах происходит за счет более низких затрат на топливо и меньшей потребности в материально-техническом обслуживании, необходимость которого возникает при использовании металлов из-за их низкой коррозионной стойкости.

Композитный полимерный материал (КМ) представляет собой неметаллическую матрицу с внедренным в нее наполнителем (упрочнителем). При этом КМ позволяют эффективно использовать индивидуальные свойства составляющих композиции. Комбинируя объемное содержание матрицы и наполнителя, можно получать композитные материалы с требуемыми значениями прочности, модуля упругости, жаропрочности и т. п.. Композиты обладают комплексом конструкционных и специальных свойств, практически недостижимых в традиционных материалах на металлической, полимерной, керамической, углеродной и других основах [5]. Сравнительные свойства различных конструкционных материалов представлены в таблице.

В качестве наполнителей для композитов могут использоваться ткани, цельнотканые чехлы, ленты, жгуты, нити на основе многофазных и поликристаллических непрерывных углеродных волокон и нитевидных монокристаллов стекла, углерода, бора, бериллия, органических волокон, имеющих высокие прочность и модуль упругости.

Таблица

Конструкционные композитные материалы

Уникальные свойства углеродных волокон определяют основные характеристики КМ [6]. Они состоят из тонких нитей диаметром от (5–15)×10–⁵ м, образованных преимущественно атомами углерода. Атомы углерода объединены в микрокристаллы, расположенные параллельно друг другу. Выравнивание кристаллов придает волокну большую прочность на растяжение. Углеродные волокна характеризуются высокой силой натяжения, низким удельным весом (~2 г/см³), низким коэффициентом температурного расширения и химической инертностью. Они обладают электросопротивлением порядка 10^–2 ¸ 10–⁵ Ом×м.

Наиболее широкое применение в современном самолетостроении нашли композиты на основе углеродных и стеклянных волокон. Особенностью углепластиков является их, большая, чем у боро- и стекловолокон, и находящаяся на уровне механической прочности титана и легированных конструкционных сталей. Углепластики существенно превосходят металлы и сплавы по вибропрочности, так как обладают высокой демпфирующей способностью. Углепластики характеризуются высокой радиационной, водо-, аэро- и бензостойкостью. Чаще всего, применяются для изготовления сильно- и средненагруженных конструкций [7].

В подавляющем большинстве работ описаны такие свойства КМ как механические, теплофизические, диэлектрические и эксплуатационные. Исследования электропроводящих свойств практически не представлены.

В работе приводятся исследования электропроводности углеродного КМ на постоянном и переменном (до 10⁵ Гц) токе. В исследованиях использовался материал с матрицы из эпоксидной смолы и наполнителем в виде углеродной ткани полотняного плетения из углеродных нитей диаметром 5×10–⁶м. Измерения проводились для пластин КМ толщиной 2,3 мм, содержащей 8 слоев ткани (рис. 1). Отметим, что результаты измерений на постоянном и переменном токе совпадают.

Рис. 1. Структура полимерного композиционного материала

Измерения температурной зависимости электрической проводимости проводились с использованием образцов с размерами (40´3,5´2,3) мм³. Омические контакты к образцам КМ создавались с помощью токопроводящего клея на основе мелкодисперсного серебра. Скорость изменения температуры была не более .

На рис. 2. представлены зависимости удельного сопротивления r для КМ от температуры . При расчете r учитывалась площадь сечения образца (3,5´2,3) мм².

Рис. 2. Температурная зависимость удельного сопротивления КМ

Из рис. 2 видно, что в диапазоне температур 20¸60^оС наблюдается полупроводниковый характер температурной зависимости электропроводности композиционного полимерного материала, а в области температур 65¸100 ^оС — металлический.

Для выяснения этой особенности на зависимости были проведены аналогичные исследования сопротивления  для отдельных нитей. Электрические контакты к углеродным нитям также создавались с помощью токопроводящего клея (рис. 3, кривая 1).

Рис. 3. Температурная зависимость сопротивления углеродных нитей: 1 ‒ одна нить; 2 ‒ связка из семи нитей; 3 ‒ рассчитанное сопротивление одной нити

Зависимость  для одной углеродной нити совпадает по характеру с температурной зависимостью сопротивления КМ: также в области температур наблюдается изменение характера температурной зависимости с полупроводникового на металлический. Величина удельного сопротивления одной нити при 20 ^оС составила Ом×м.

Для связки нитей изменение температура изменения характера проводимости оказалась несколько ниже — 50 ^оС. Из полученных в этом эксперименте результатов было рассчитано сопротивление одной нити R_р (рис. 3, кривая 3), которое оказалось на 10 % меньше, чем полученное из прямых измерений R_н (кривая 1). Меньшее значение рассчитанного сопротивления углеродной нити можно объяснить наличием контактного сопротивлений  между нитями связки. Температурная зависимость разницы сопротивлений показана на рис. 4.

Рис. 4. Температурная зависимость разницы сопротивлений

Отметим, что в этом температурном диапазоне величина , характеризующая электрическое сопротивление между нитями ткани, не изменяется.

Анализирую полученные температурные зависимости электрических сопротивлений нитей и собственного материала отметим следующее.

Известно, что углеродные нити имеют сложную микроструктуру, их надмолекулярная структура включает фибриллярные образования с чередованием аморфных и кристаллических областей. Последние состоят из ленточных или плоскостных участков графитоподобных структур. С увеличением температуры и натяжения при высокотемпературной обработке степень ориентации и кристалличность углеродных волокон возрастают. По-видимому, с эти и связана сложная температурная зависимость их сопротивлений. В области температур 20¸60 ^оС их поведение подобно аморфному графиту [8], для которых характерен полупроводниковый характер проводимости.

При температурах более 60 ^оС наблюдается рост . Это можно объяснить вкладом поверхностного сопротивления углеродных волокон. В пользу это предположения свидетельствует и тот факт, что УВ характеризуются высокой пористостью, площадь внутренней поверхности достигает 50 ‒ 400 м²/г.

Свой вклад в температурную зависимость электрического сопротивления КМ может вносить и межфазный слой в системе матрица-наполнитель, который, по сути, является третьей фазой и его свойства мало изучены.

Большую роль электросопротивления контактов между элементами нитей подтверждает следующий эксперимент. Были проведены измерения электрического сопротивления КПМ при их механической деформации. Суть эксперимента представлена на рис. 5.

Рис. 5. Деформация образца на угол j при измерении его электрического сопротивления

При измерении электрического сопротивления образца, закрепленного консольно, он подвергался упругой механической деформации. Это приводило к взаимному смещению углеродных нитей наполнителя КМ, что естественно приводило к изменению их сопротивления , и соответственно, сопротивления материала в целом (рис. 6).

Рис. 6. Изменение электрического сопротивления при механической деформации образца КПМ. ‒ сопротивление недеформированного образца; j‒ угол деформации

Таким образом, электрическое сопротивление исследуемого композиционного полимерного материала определяется как сопротивлением углеродных нитей, так и сопротивлением контактов между нитями ткани-наполнителя. Можно предположить, что в диапазоне температур 20¸60 ^оС электрическое сопротивление КМ зависит от свойств самих УН, при более высоких температурах — от свойств сопротивлений между контактами.

Полученные результаты могут быть использованы для непрерывного и неразрушающего контроля целостности конструкционного материала и для измерения механических напряжений, возникающих в нем при эксплуатации.

Литература:

1.         Михеев С. В., Строганов Г. Б., Ромашкин А. Г. Керамические и композиционные материалы в авиационной технике. ‒ М.: Альтекс, 2002. ‒ 276 с.

2.         Применение современных полимерных композитных материалов в конструкции планера самолетов семейства МС-21.//Известия Самарского научн. центра Российской академии наук, 2012. ‒ Т.14. ‒ № 4(2). ‒ С. 688 ‒ 693.

3.         Интернет ресурс: http://mempct.ru, ОАО Московский машиностроительный экспериментальный завод-композиционные технологии (ОАО ММЭЗ–КТ).

4.         http://www.hccomposite.com, Холдинговая Компания «Композит».

5.         Авдеев Ю., Красная звезда. Интервью с главным конструктором ПАК-ФА Давиденко, Красная звезда, 24.03.2010.

6.         Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технологии: уч. пособие/Кербер М. Л., Виноградов В. М., Головкин Г. С. и др.; под ред. Берлина А. А. — СПб: Профессия, 2008. — 560 с.

7.         Адаменко Н. А. Конструкционные полимерные композиты: учеб. пос./Адаменко Н. А., Фетисов А. В., Агафонова Г. В. ‒ Волгоград, 2010. ‒ 101 с.

8.         Современные технологии получения и переработки полимерных и композиционных материалов: учебное пособие /Галыгин В. Е., Баронин Г. С., Таров В. П., Завражин Д. О.. — Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО ТГТУ, 2012. — 180 с.

9.         Голев И. М., Усков А.В, Калиенко М. С. и др. Магнетосопротивление и роль контактов в электрической проводимости компактированных нанодисперсных углеродных материалов//Вестник Воронежского госуд. технич. ун-та, 2012. ‒ Т.8. ‒ № 9. ‒ С.79 ‒ 82.