摘" " 要： 為開發(fā)一種航空飛行器防冰用電熱復(fù)合材料，選取3種細(xì)度的鎳鉻合金絲，基于平針、羅紋和雙羅紋3種緯編結(jié)構(gòu)，優(yōu)選了6種鎳鉻合金絲緯編電加熱織物，以鎳鉻合金絲緯編織物為電熱層，制備玻璃/環(huán)氧電熱復(fù)合材料，并采用實(shí)驗(yàn)方法研究了鎳鉻合金絲細(xì)度和緯編結(jié)構(gòu)對電加熱織物及其復(fù)合材料的電熱性能和對復(fù)合材料拉伸性能的影響。結(jié)果表明：同種緯編結(jié)構(gòu)，鎳鉻合金絲細(xì)度較大，織物電熱轉(zhuǎn)換效率較低，電加熱織物及其復(fù)合材料表面最高平衡溫度較高，電熱復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度較小；同種鎳鉻合金絲細(xì)度，在11 V直流電壓30 s下，平針組織電加熱織物為電熱層的復(fù)合材料表面溫度由室溫升高到74.1 ℃，升溫速率達(dá)1.63 ℃/s，較羅紋和雙羅紋組織升溫速率分別高154.69%和33.61%；平針組織電加熱織物為電熱層的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為450.2 MPa，較羅紋和雙羅紋組織拉伸強(qiáng)度分別高3.68%和4.53%。初步工作表明，含鎳鉻合金絲緯編電熱層復(fù)合材料有望滿足航空飛行器防冰用電熱復(fù)合材料的需求。

關(guān)鍵詞： 復(fù)合材料； 緯編結(jié)構(gòu)； 鎳鉻合金絲； 電熱性能； 拉伸性能； 防冰

中圖分類號： TS186.2；TB332" " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A" " " " " " " " 文章編號： １６７１－０２４Ｘ（２０24）０3－００16－07

Tensile property of composites with Ni-Cr alloy wire weft knitted

electrothermal layer

SUN Ying1，2， FENG Ya1，2， LIU Liangsen2， CUI Yanchao3， CHEN Li1，2

（1. School of Textile Science and Engineering， Tiangong University， Tianjin 300387， China； 2. Key Laboratory of Advanced Textile Composites of Ministry of Education， Tiangong University， Tianjin" 300387， China； 3. Tianjin Aviation Electrome-chanical Co.， Ltd.， Tianjin 300308， China）

Abstract： In order to develop a kind of electrothermal composites which can be used for aircraft anti ice， six kinds of electric heating fabrics made of nickel chromium alloy wire were preferred and prepared based on three kinds of weft knitted structures： plain， rib and interlock. The glass/epoxy electrothermal composite was prepared using Ni-Cr alloy wire weft knitted as the electrothermal layer. The effects of the fineness of Ni Cr alloy wire and weft knitted structure on the electrothermal properties and tensile properties of electric heating fabrics and electrothermal composites were studied by experiments. The results show that with the same weft knitted structure， the fineness of Ni Cr alloy wire is larger， the electrothermal conversion efficiency of the fabric is lower， the maximum equilibrium temperature of the surface of the electric heating fabric and its composite is higher， and the tensile strength of the electrothermal composite is lower. With the same fineness of Ni-Cr alloy wire， the surface of the composite with plain structure increased from room temperature to 74.1 ℃ at 11 VDC for 30 s， and the heating rate reached 1.63 ℃/s， which was 154.69% and 33.61% higher than that of the composite with rib and interlock structure， respectively； the tensile strength of plain structure composite is 450.2 MPa， which is 3.68% and 4.53% higher than that of rib and interlock structure composite respectively. The preliminary work shows that composites with Ni-Cr alloy wire weft knitted electrothermal layer is expected to meet the needs of the electrothermal composite for aircraft anti icing.

Key words： composite； weft knitted structure； Ni-Cr alloy wire； electrothermal property； tensile property； anti ice

為保證航空飛行器輕量化安全運(yùn)行，電熱復(fù)合材料在防冰中得到應(yīng)用[1-2]。近年來，國內(nèi)外對含電熱層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了研究[3-6]。西科斯基公司[7]制備了含銅絲玻璃/聚氨酯電熱復(fù)合材料，已裝備黑鷹直升機(jī)[8]；GKN宇航公司[9]以噴涂金屬的織物為電熱層，制備碳纖維/環(huán)氧電熱復(fù)合材料，應(yīng)用于波音787飛機(jī)；艾劍波等[10]制備了含不銹鋼加熱片玻璃/環(huán)氧電熱復(fù)合材料；馬莉婭等[11]采用鎳鉻合金2080膜材為電熱層，制備了厚度為3.2 mm碳纖維電熱復(fù)合材料；Ibrahim等[12]以鎳鉻合金絲3D打印金屬網(wǎng)為電熱層，制備碳纖維電熱復(fù)合材料。諶廣昌等[13]以鎳鉻合金細(xì)絲（？準(zhǔn)0.1 mm）編織金屬網(wǎng)為電熱層，制備玻璃/環(huán)氧電熱復(fù)合材料，在115 V電壓下，復(fù)合材料升溫速率達(dá)2.5 ℃/s，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度為398.2 MPa；戴海軍等[14-15]開發(fā)了銅鎳合金絲（？準(zhǔn)0.22 mm）緯編雙軸向織物為電熱層，在電加熱織物上下層鋪覆3層玻璃/環(huán)氧預(yù)浸料，制備厚度為1.0 mm電熱復(fù)合材料，在2 V電壓下，表面溫度由室溫升到89 ℃，用時(shí)60 s，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度達(dá)198.1 MPa；Lee等[16]設(shè)計(jì)了鍍鎳碳纖維織物，在1.5 V電壓下，表面溫度由室溫升到148.2 ℃，用時(shí)25 s，在12 V電壓下，其復(fù)合材料表面溫度由室溫升到88.1 ℃，用時(shí)1 000 s。

緯編織物具有優(yōu)異的變形性，能夠適應(yīng)多種形狀和輪廓[17-19]。本文針對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的航空飛行器防冰用電熱復(fù)合材料異形件，基于緯編結(jié)構(gòu)，優(yōu)選6種鎳鉻合金絲電加熱織物[20]，與玻璃/環(huán)氧預(yù)浸料和J159-111膠膜固化，制備電熱復(fù)合材料，測試評價(jià)鎳鉻合金絲細(xì)度和緯編結(jié)構(gòu)對電加熱織物及其復(fù)合材料電熱性能和復(fù)合材料拉伸性能的影響，為開發(fā)航空飛行器用電熱復(fù)合材料提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料：鎳鉻合金絲（？準(zhǔn)0.08 mm、？準(zhǔn)0.06 mm、？準(zhǔn)0.04 mm），杭州中一科技有限公司產(chǎn)品；50 D（1 D = 1/9 tex）芳綸，蘇州兆達(dá)特纖科技有限公司產(chǎn)品；75 D滌綸低彈絲，保定宏寬化纖有限公司產(chǎn)品；膠膜（J159-111），黑龍江石化院產(chǎn)品；玻璃/環(huán)氧預(yù)浸料，天津愛思達(dá)航天科技有限公司產(chǎn)品。

實(shí)驗(yàn)儀器：12G龍星電腦針織橫機(jī)（LXC-136SC），江蘇金龍科技股份有限公司產(chǎn)品；可調(diào)式直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，漢晟普源科技有限公司產(chǎn)品；萬能試驗(yàn)機(jī)（LH4000G），上海力試科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；VR-5200輪廓儀，日本Keyence公司產(chǎn)品。

1.2 電熱復(fù)合材料制備

選取3種細(xì)度的鎳鉻合金絲與芳綸并股和雙股滌綸低彈絲以4/2的喂入比排列。采用龍星電腦針織橫機(jī)，度目為70，織造制備平針組織、羅紋組織和雙羅紋組織3種緯編結(jié)構(gòu)的鎳鉻合金絲電加熱織物。電加熱織物結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，黃色紗線代表鎳鉻合金絲與芳綸并股的紗線，銀色紗線代表雙股滌綸低彈絲。表1列出了9種鎳鉻合金絲緯編電加熱織物結(jié)構(gòu)參數(shù)。

基于航空飛行器防冰用電熱復(fù)合材料厚度要求，選取織物厚度小于0.5 mm的試樣，包括3種平針織物P8、P6、P4，還有2種羅紋織物R6、R4，以及雙羅紋織物I4，共計(jì)6種鎳鉻合金絲緯編電加熱織物。以鎳鉻合金絲緯編電加熱織物為電熱層，將厚度為0.2 mm的膠膜貼覆于電加熱織物上下層，膠膜外鋪覆4層（單層厚度為0.25 mm）1/1平紋組織玻璃/環(huán)氧預(yù)浸料，4層預(yù)浸料鋪層角度為0°、45°、0°、45°。利用熱壓罐復(fù)合成型工藝，制備厚度為（2.3 ± 0.2） mm電熱復(fù)合材料。圖2為電熱復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖。

1.3 電熱性能測試

圖3為電熱性能測試圖。

在室溫環(huán)境下，采用可調(diào)式直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源提供電壓，采用FOTRIC熱像儀采集試樣表面溫度，測試裝置如圖3（a）所示。電加熱織物及其復(fù)合材料電熱性能試樣分別如圖3（b）和圖3（c）所示，織物試樣長×寬尺寸為100 mm ×100 mm，復(fù)合材料試樣尺寸為100 mm × 100 mm × （2.3 ± 0.2） mm。電熱轉(zhuǎn)換效率是衡量材料電熱性能的重要參數(shù)之一，計(jì)算如式（1）。

hr+C = （1）

式中：hr+C 為電熱轉(zhuǎn)換效率（W·℃-1），其值越小，表示電熱轉(zhuǎn)換效率越高；IC為穩(wěn)態(tài)電流（A）；V0為外加電壓（V）；Tm 為最高平衡溫度（℃）；T0為初始溫度（℃）。

1.4 拉伸性能測試

圖4為拉伸性能測試圖。

參照GB/T 1447—2005[21]，采用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能測試，加載速率為2 mm/min，如圖4（a）所示。復(fù)合材料拉伸性能試樣如圖4（b）所示，試樣尺寸為250 mm×25 mm × （2.3 ± 0.2） mm。拉伸強(qiáng)度的計(jì)算如式（2）：

δt = （2）

式中：δt為拉伸強(qiáng)度（MPa）；F為最大載荷或破壞載荷（N）；w為試樣寬度（mm）； h為試樣厚度（mm）。

2 結(jié)果與討論

2.1 電熱性能

2.1.1 電加熱織物電熱性能

在4" V直流電壓下，6種織物試樣溫度-時(shí)間曲線如圖5所示。

從圖5可看出，試樣通電后，5～10 s表面達(dá)最高平衡溫度，30 s時(shí)斷電，試樣表面開始迅速降溫，10 s可降至室溫。相同緯編結(jié)構(gòu)，鎳鉻合金絲細(xì)度較大的織物試樣表面最高平衡溫度較高；相同鎳鉻合金絲細(xì)度，織物表面最高平衡溫度由高到低依次為雙羅紋、平針和羅紋組織。

試樣穩(wěn)態(tài)電流、最高平衡溫度和電熱轉(zhuǎn)換效率等如表2所示。由表2可知，相同緯編結(jié)構(gòu)，鎳鉻合金絲細(xì)度越大，電阻越小，外加電壓一定，則電流較高，提供能量較高，試樣表面最高平衡溫度越高。電熱轉(zhuǎn)換效率隨鎳鉻合金絲細(xì)度增大而降低，P4試樣的電熱轉(zhuǎn)換效率值為0.42 W/℃，較P8試樣提高19.23%。相同鎳鉻合金絲細(xì)度，由于雙羅紋組織的雙層沉降弧，電阻較羅紋和平針組織電阻?。涣_紋組織的沉降弧較平紋織物的沉降弧路徑長，電阻較大；緯編結(jié)構(gòu)電阻由小到大依次為雙羅紋、平針和羅紋組織。外加電壓一定，電阻越小，則電流較高，試樣表面最高平衡溫度較高。電熱轉(zhuǎn)換效率與緯編結(jié)構(gòu)相關(guān)，P4、R4和I4試樣的電熱轉(zhuǎn)換效率分別為0.42、0.48、0.32 W/℃。由電熱轉(zhuǎn)換效率值越小，表示電熱轉(zhuǎn)換效率越高。I4試樣的電熱轉(zhuǎn)換效率較P4和R4分別提高了23.81%和33.33%。

2.1.2 電熱復(fù)合材料電熱性能

在11 V直流電壓下，6種復(fù)合材料試樣溫度-時(shí)間曲線如圖6所示。

從圖6可以看出，試樣通電后，復(fù)合材料表面快速升溫，30 s時(shí)，表面達(dá)到最高平衡溫度，此時(shí)斷電，試樣表面緩慢降溫為自然冷卻過程。相同緯編結(jié)構(gòu)，鎳鉻合金絲細(xì)度較大的試樣表面最高平衡溫度和曲線斜率較大；相同鎳鉻合金絲細(xì)度，復(fù)合材料表面最高平衡溫度由高到低依次為平針、雙羅紋和羅紋組織。

試樣穩(wěn)態(tài)電流、最高平衡溫度和升溫速率等如表3所示。

表3中，相同緯編結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料表面最高平衡溫度與電加熱織物電熱性能規(guī)律保持一致，電加熱織物提供的熱能越多，其復(fù)合材料表面最高平衡溫度和升溫速率相對越高。P8試樣的表面最高平衡溫度達(dá)108.8 ℃，升溫速率為2.77 ℃/s，較P4試樣表面最高平衡溫度高46.83%。相同鎳鉻合金絲細(xì)度，羅紋組織電加熱織物提供的熱量最低，對應(yīng)電熱復(fù)合材料最高平衡溫度和升溫速率較低；雙羅紋組織電加熱織物較平針組織電加熱織物厚度較大，在對應(yīng)電熱復(fù)合材料能量傳遞過程中，厚度大能量損耗相對較高，進(jìn)而導(dǎo)致復(fù)合材料試樣表面溫度較低。P4、R4和I4試樣表面的最高平衡溫度分別為74.1、44.6、61.7 ℃；P4試樣的升溫速率達(dá)1.63 ℃/s，較R4和I4試樣升溫速率分別高154.69%和33.61%。

6種電熱復(fù)合材料試樣表面溫度三維圖及投影平面圖如圖7所示。由圖7可以看出，電熱復(fù)合材料試樣在受到外部輸出電壓升溫到最高平衡溫度時(shí)，表面溫度分布均勻，具有較好的加熱升溫特性。

2.2 拉伸性能

對6組電熱復(fù)合材料試樣進(jìn)行拉伸性能測試，各組典型試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8所示。圖8中試樣編號后數(shù)字表示試樣序號。由圖8可見，相同緯編結(jié)構(gòu)，鎳鉻合金絲細(xì)度較大的試樣失效應(yīng)力和曲線斜率較?。幌嗤囥t合金絲細(xì)度，平針和羅紋組織電加熱織物為電熱層的試樣失效應(yīng)力和曲線斜率大于雙羅紋組織電加熱織物為電熱層的試樣。

各組復(fù)合材料試樣拉伸強(qiáng)度、拉伸模量和斷裂伸長率及偏差如表4所示。由于鎳鉻合金絲及其緯編電加熱織物的延伸率較玻璃纖維和環(huán)氧樹脂高，因此，試樣在拉伸過程中，玻璃纖維和環(huán)氧樹脂先受損，電加熱織物后斷裂。由表4可見，相同緯編結(jié)構(gòu)，鎳鉻合金絲細(xì)度越小，電加熱織物剛度越小，拉伸方向纖維的取向度高，強(qiáng)度有效利用率高，因此試樣拉伸強(qiáng)度較高。P4試樣的拉伸強(qiáng)度達(dá)450.2 MPa，較P8試樣拉伸強(qiáng)度高9.11%。相同鎳鉻合金絲細(xì)度，平針組織在拉伸方向上的線圈的取向度較羅紋組織和雙羅紋組織好，是由于羅紋和雙羅紋組織線圈的沉降弧扭轉(zhuǎn)降低了纖維的取向度。P4試樣拉伸強(qiáng)度較R4和I4試樣拉伸強(qiáng)度分別高3.68%和4.53%。

采用輪廓儀放大12倍獲取實(shí)驗(yàn)后試樣損傷形貌，為方便觀測復(fù)合材料的實(shí)際受損情況，從試樣的側(cè)面對典型損傷進(jìn)行分析，圖像如圖9所示。

由圖9可以看出，試樣出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，可通過改進(jìn)電加熱織物與上下層粘合固化，提高電熱復(fù)合材料的整體力學(xué)性能。復(fù)合材料拉伸斷裂損傷主要包括：玻璃纖維抽拔、樹脂開裂、界面分層、電加熱織物及其復(fù)合材料試樣斷裂等，最終導(dǎo)致復(fù)合材料徹底失效。

3 結(jié) 論

采用鎳鉻合金絲緯編織物為電熱層，制備了玻璃／環(huán)氧電熱復(fù)合材料，測試評價(jià)了鎳鉻合金絲細(xì)度和緯編結(jié)構(gòu)對電加熱織物及其復(fù)合材料電熱性能和復(fù)合材料拉伸性能的影響。

（1） 在4 V直流電壓下，織物電熱轉(zhuǎn)換效率與鎳鉻合金絲細(xì)度成反相關(guān)，雙羅紋組織織物的電熱轉(zhuǎn)換效率較平針和羅紋組織織物分別提高了23.81%和33.33%。

（2） 在11 V直流電壓下，電熱復(fù)合材料表面最高平衡溫度在30 s內(nèi)升溫達(dá)108.8 ℃，與鎳鉻合金絲細(xì)度成正相關(guān)；平針組織電加熱織物為電熱層的復(fù)合材料升溫速率較羅紋和雙羅紋組織分別高154.69%和33.61%；所有電熱復(fù)合材料試樣表面溫度分布均勻，具有較好的加熱性能。

（3） 6種電熱復(fù)合材料試樣拉伸強(qiáng)度均在400 MPa以上。電熱復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與鎳鉻合金絲細(xì)度呈反相關(guān)。平針組織電加熱織物為電熱層的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度較羅紋和雙羅紋組織分別高3.68%和4.53%。 參考文獻(xiàn)：

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