兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (8): 240962-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0962
王守涛1,2, 居傲1,2, 郭静娴1,2, 赵长青1,2, 赵晨3, 崔艳超4, 孙颖1,2,*(), 陈利1,2
收稿日期:
2024-10-15
上线日期:
2025-08-28
通讯作者:
基金资助:
WANG Shoutao1,2, JU Ao1,2, GUO Jingxian1,2, ZHAO Changqing1,2, ZHAO Chen3, CUI Yanchao4, SUN Ying1,2,*(), CHEN Li1,2
Received:
2024-10-15
Online:
2025-08-28
摘要:
为开发既具有防/除冰功能又可以满足承载性能要求的电热复合材料,基于定制纤维铺放工艺设计制备3种镍铬合金丝并联间距(6.67mm、4.00mm和2.86mm)的电加热织物及其增强复合材料,在25W功率下,3min内复合材料表面温度最低可达87.2℃。采用落锤冲击试验机、红外热像仪和万能强力试验机测试,并分析复合材料试样在7J下的低速冲击性能、冲击后电热性能和冲击后压缩性能。研究结果表明:引入镍铬合金丝电热层后复合材料冲击吸能至少增加23.6%;电热复合材料在未发生穿孔的情况下,冲击后损伤区域的表面温度仍然可以达到72.4℃以上,冲击后压缩模量和压缩强度保留率分别可达到88.73%和94.97%以上;与玻纤/环氧复合材料相比,随着镍铬合金丝并联间距减小,电热复合材料在冲击后压缩载荷下电热层处分层现象更为显著,这一结果为飞行器防/除冰用电热复合材料兼顾力学性能的设计提供实践意义的指导。
中图分类号:
王守涛, 居傲, 郭静娴, 赵长青, 赵晨, 崔艳超, 孙颖, 陈利. 含镍铬合金丝电热层复合材料低速冲击性能试验研究[J]. 兵工学报, 2025, 46(8): 240962-.
WANG Shoutao, JU Ao, GUO Jingxian, ZHAO Changqing, ZHAO Chen, CUI Yanchao, SUN Ying, CHEN Li. Low-velocity Impact Properties of Electrically-heated Composites Containing Nickel-chromium Alloy Wires[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(8): 240962-.
试样组 | 并联间距/mm | 厚度/mm | 面密度/(kg·m-2) |
---|---|---|---|
EC1 | 6.67 | 2.23±0.02 | 3.702 |
EC2 | 4.00 | 2.23±0.02 | 3.698 |
EC3 | 2.86 | 2.23±0.02 | 3.683 |
GFRP | 2.08±0.01 | 3.575 |
表1 试样参数实测值
Table 1 Measured values of sample parameters
试样组 | 并联间距/mm | 厚度/mm | 面密度/(kg·m-2) |
---|---|---|---|
EC1 | 6.67 | 2.23±0.02 | 3.702 |
EC2 | 4.00 | 2.23±0.02 | 3.698 |
EC3 | 2.86 | 2.23±0.02 | 3.683 |
GFRP | 2.08±0.01 | 3.575 |
试样组 | 60s内升温速率/ (℃·s-1) | 最高温度/ ℃ | 最低温度/ ℃ | 表面温差/ ℃ |
---|---|---|---|---|
EC1 | 0.803 | 113.4±2.5 | 87.2±2.0 | 26.2±1.8 |
EC2 | 0.685 | 106.1±2.1 | 94.6±1.6 | 11.5±0.6 |
EC3 | 0.573 | 97.7±1.2 | 91.6±1.1 | 6.1±0.4 |
表2 电热复合材料试样升温特性
Table 2 Temperature rise properties of electrically-heated samples
试样组 | 60s内升温速率/ (℃·s-1) | 最高温度/ ℃ | 最低温度/ ℃ | 表面温差/ ℃ |
---|---|---|---|---|
EC1 | 0.803 | 113.4±2.5 | 87.2±2.0 | 26.2±1.8 |
EC2 | 0.685 | 106.1±2.1 | 94.6±1.6 | 11.5±0.6 |
EC3 | 0.573 | 97.7±1.2 | 91.6±1.1 | 6.1±0.4 |
试样组 | F1/N | Fmax/N | ED/J | DE/mm | DD/mm | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
测试值 | 变异系数/% | 测试值 | 变异系数/% | 测试值 | 变异系数/% | 测试值 | 变异系数/% | 测试值 | 变异系数/% | |
EC1 | 1647 | 3.05 | 2040 | 4.23 | 5.75 | 2.87 | 5.88 | 1.73 | 0.67 | 7.16 |
EC2 | 1780 | 3.23 | 1993 | 4.11 | 5.83 | 1.29 | 5.74 | 0.75 | 0.60 | 9.53 |
EC3 | 1621 | 8.49 | 2 071 | 1.75 | 5.94 | 3.16 | 5.73 | 1.23 | 0.63 | 8.29 |
GFRP | 1607 | 2.04 | 2 000 | 1.06 | 4.65 | 3.58 | 5.94 | 0.28 | 0.53 | 1.75 |
表3 复合材料试样冲击性能测试结果
Table 3 Test impact properties of composite samples
试样组 | F1/N | Fmax/N | ED/J | DE/mm | DD/mm | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
测试值 | 变异系数/% | 测试值 | 变异系数/% | 测试值 | 变异系数/% | 测试值 | 变异系数/% | 测试值 | 变异系数/% | |
EC1 | 1647 | 3.05 | 2040 | 4.23 | 5.75 | 2.87 | 5.88 | 1.73 | 0.67 | 7.16 |
EC2 | 1780 | 3.23 | 1993 | 4.11 | 5.83 | 1.29 | 5.74 | 0.75 | 0.60 | 9.53 |
EC3 | 1621 | 8.49 | 2 071 | 1.75 | 5.94 | 3.16 | 5.73 | 1.23 | 0.63 | 8.29 |
GFRP | 1607 | 2.04 | 2 000 | 1.06 | 4.65 | 3.58 | 5.94 | 0.28 | 0.53 | 1.75 |
试样组 | 60s内升温速率/ (℃·s-1) | 最高温度/ ℃ | 最低温度/ ℃ | 表面温差/ ℃ |
---|---|---|---|---|
EC1 | 0.777 | 111.6±2.5 | 72.4±2.0 | 39.2±3.5 |
EC2 | 0.652 | 100.7±1.8 | 78.0±1.7 | 22.7±1.4 |
EC3 | 0.562 | 97.3±1.3 | 84.8±1.2 | 12.5±1.3 |
表5 复合材料试样冲击后电热升温特性
Table 5 Electrothermal heating properties of samples after impact
试样组 | 60s内升温速率/ (℃·s-1) | 最高温度/ ℃ | 最低温度/ ℃ | 表面温差/ ℃ |
---|---|---|---|---|
EC1 | 0.777 | 111.6±2.5 | 72.4±2.0 | 39.2±3.5 |
EC2 | 0.652 | 100.7±1.8 | 78.0±1.7 | 22.7±1.4 |
EC3 | 0.562 | 97.3±1.3 | 84.8±1.2 | 12.5±1.3 |
试样组 | 压缩模量/GPa | 压缩强度/MPa | ||
---|---|---|---|---|
平均值 | 变异系数/% | 平均值 | 变异系数/% | |
EC1 | 10.87 | 7.85 | 131.78 | 4.62 |
EC2 | 11.28 | 1.12 | 140.38 | 3.41 |
EC3 | 11.40 | 1.28 | 124.35 | 3.78 |
GFRP | 10.68 | 1.87 | 133.49 | 3.85 |
表7 复合材料试样压缩性能平均值
Table 7 Average value of compression properties of samples
试样组 | 压缩模量/GPa | 压缩强度/MPa | ||
---|---|---|---|---|
平均值 | 变异系数/% | 平均值 | 变异系数/% | |
EC1 | 10.87 | 7.85 | 131.78 | 4.62 |
EC2 | 11.28 | 1.12 | 140.38 | 3.41 |
EC3 | 11.40 | 1.28 | 124.35 | 3.78 |
GFRP | 10.68 | 1.87 | 133.49 | 3.85 |
试样组 | 冲击后压缩模量/GPa | 冲击后压缩强度/MPa | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
平均值 | 变异系 数/% | 模量保 留率/% | 平均值 | 变异系 数/% | 强度保 留率/% | |
EC1 | 9.64 | 5.25 | 88.73 | 131.31 | 1.71 | 99.64 |
EC2 | 10.06 | 6.54 | 89.14 | 139.06 | 3.08 | 99.06 |
EC3 | 11.08 | 9.85 | 97.19 | 118.09 | 8.18 | 94.97 |
GFRP | 9.31 | 4.79 | 87.20 | 132.22 | 2.03 | 99.04 |
表9 复合材料试样冲击后压缩性能平均值
Table 9 Average values of CAI properties of samples
试样组 | 冲击后压缩模量/GPa | 冲击后压缩强度/MPa | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
平均值 | 变异系 数/% | 模量保 留率/% | 平均值 | 变异系 数/% | 强度保 留率/% | |
EC1 | 9.64 | 5.25 | 88.73 | 131.31 | 1.71 | 99.64 |
EC2 | 10.06 | 6.54 | 89.14 | 139.06 | 3.08 | 99.06 |
EC3 | 11.08 | 9.85 | 97.19 | 118.09 | 8.18 | 94.97 |
GFRP | 9.31 | 4.79 | 87.20 | 132.22 | 2.03 | 99.04 |
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