Dissertation/Thesis Abstract

Modeling and Characterization of Electrical Resistivity of Carbon Composite Laminates
by Yu, Hong, D.Eng., University of Delaware, 2018, 236; 10745689
Abstract (Summary)

在过去的几十年中,复合材料特别是碳纤维增强聚合物(CFRP)由于其高强度重量比,可裁剪性和优异的耐腐蚀性而被广泛用作结构材料。需要更好地了解CFRP层压板电气性能的应用包括复合材料制造过程中的碳纤维辅助加热,复合结构损伤的自感,集成电磁屏蔽和雷击保护。描述CFRP层压板导电行为的精确预测模型是其应用的关键。 已经探索了不同的方法来模拟在各种电流条件下的CFRP的电传导。综合文献回顾发现,大多数用于CFRP导电模型的方法都不能捕捉到CFRP微观结构,特别是纤维 - 纤维接触,层间树脂富集层的影响,这将大大改变导电模式。 本论文工作的目的是开发一个捕捉CFRP关键电导机制的模型,以解决微观结构和几何参数的影响。通过在添加每个关键机制模块之后通过实验验证验证模型,以模块化方式构建模型。首先,该模型构建了一个电阻网络框架,用于描述受到低直流电流影响的UD薄片和光纤束的导电行为。该模型通过报道的实验结果和通过表征干碳纤维束的电阻率来验证。 下一个模块将研究多层层压板的具体特点,如:层厚取向不同,富树脂层的存在以及对影响局部电阻率的几何参数的依赖性。提出了一个中等尺度的光纤束模型,以便在建模细节水平和计算成本之间取得平衡。用层间连接术语来描述富树脂层的影响。介绍了用于估计多种来源的接触电阻的表达式,包括直接纤维接触和穿过薄树脂层的隧穿电阻。将精细模型与实验结果和有限元模型进行比较。进行参数研究来调查几何参数的影响。 最后,本文从数值和实验的角度研究了高电流密度的影响。检查局部焦耳加热的影响的简化分析模型显示,由于微观结构限制导致的电流集中会在接触点引入过多的焦耳热。因此,不要低估接触点处的温度升高,即使在看似很小的整体施加电流下也是如此。在此基础上,通过引入焦耳加热模块的实现,进一步完善了模型。考虑电阻率的可逆变化,如温度依赖性电阻率和不可逆变化,如树脂基体的热和电降解。 在高电流密度下对干纤维束和固化复合材料进行电学表征实验。可逆和不可逆电阻率变化的贡献是通过仔细设计的重复电流测试来确定的。发现对于具有施胶和用于固化的复合材料的干纤维束,薄树脂/施胶层的热破坏对高电流密度下的非线性导电行为有重大贡献。与实验结果相比,所开发的模型捕捉到导电行为的重要特征。对模型显示与实验结果不一致的情况和地区可能的解释。这个模型应该被证明是有用的,以解决和设计和制造复合材料组件,其中导电性和导热性在确定其功能特性中起关键作用。

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Advisor: Advani, Suresh G.
Commitee: Heider, Dirk, Keefe, Michael, Thostenson, Erik T.
School: University of Delaware
Department: Mechanical Engineering
School Location: United States -- Delaware
Source: DAI-B 79/08(E), Dissertation Abstracts International
Source Type: DISSERTATION
Subjects: Electrical engineering, Mechanical engineering, Materials science
Keywords: Carbon composite, Cfrp, Electrical property, Lightning strike, Resin rich interface, Resistor network
Publication Number: 10745689
ISBN: 9780355762273
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