Electrical properties of aluminium-fibre reinforced composite laminates

• Autorzy: Surowska B. , Ostapiuk M.

Warianty tytułu

PL

Właściwości elektryczne laminatów aluminium-kompozyty polimerowo-włókniste

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Hybrid materials such as Fibre Metal Laminates (FMLs) containing carbon fibre reinforced polymers (CFRPs) are very attractive candidates for novel design strategies due to their specific properties. However, Fibre Metal Laminates (FMLs) may be susceptible to galvanic and electrochemical corrosion in a damp environment due to the applied metal sheets. Aluminium alloy-glass/epoxy composite FMLs exhibit high corrosion resistance. Their corrosion process is limited to the metal outer layers if they are not protected because glass fibre reinforced composites are non-conductive. Galvanic corrosion initiation is likely when a composite contains carbon fibres, owing to the electric conductivity of these fibres. Therefore, it is necessary to determine the electrical properties of the produced hybrid materials. Measurements were made to determine the surface resistivity of components and contact resistivity of the laminates. Investigations were conducted on on a polymer composite and FMLs consisting of aluminium 2024-T3 joined with GFRPs (R-glass, S-glass) and CFRP. The aluminium alloy sheet was anodized in a sulphuric acid solution (SAA process). The composite plates and hybrid laminates were cured in the autoclave process. The surface resistance of the materials was determined by measuring the drop in current using the two probe method and strip electrodes. In the laminate specimens, the electrodes were placed in the longitudinal direction between the corresponding layers. The interlaminar interface properties of these laminates were studied by measuring the contact electrical resistivity of this interface. Moreover, the variation in temperature with time during electrical measurements was recorded by means of the thermovision technique for the composite specimens. This study revealed that the aluminium oxide and GFRP-R composite are insulators with very high but negative surface resistivity. The surface resistivity of the CFRP composite is equal to about 10² ÷10³Ω/ and depends on the direction of the fibres. When the electrodes are located perpendicularly to the fibres, the surface resistivity is lower and the surface temperature increases locally. Generally the contact resistivity of this composite is ~10³ times higher than indicated in literature. It is a result of the high quality of the prepreg and autoclave curing of the laminate. The measurements of electrical contact resistivity indicated that it is possible to obtain a dielectric interface between the aluminium alloy and carbon reinforced composite by anodizing the aluminium and applying aglass prepreg layer 0.25 mm thick. The thinner glass composite layer does not increase the in-plane contact resistivity.

PL

Laminaty metalowo-włókniste (FML) zawierające kompozyt wzmacniany włóknem węglowym (CFRP) są atrakcyjnym materiałem konstrukcyjnym ze względu na specyficzne właściwości mechaniczne i elektryczne. Problemem w FML jest podatność na korozję galwaniczną w wilgotnym środowisku ze względu na obecność warstw metalu. W przypadku laminatów stop aluminium-kompozyt wzmacniany włóknem szklanym (GFRP) korozja ograniczona jest tylko do zewnętrznych powierzchni metalu, jeśli nie są one zabezpieczone warstwą antykorozyjną. W laminatach wzmacnianych włóknem węglowym prawdopodobieństwo zaistnienia korozji jest znacznie wyższe z powodu przewodności elektrycznej włókien. Dlatego projektując materiały, w których włókno przewodzące pełni rolę sensora z wykorzystaniem również właściwości piezomechanicznych, konieczna jest znajomość właściwości elektrycznych komponentów oraz wytworzonych materiałów na równi z ich właściwościami mechanicznymi. W pracy przedstawiono pomiary rezystywności powierzchniowej komponentów - anodowanej w roztworze kwasu siarkowego (SAA) blachy ze stopu AW2024T3 oraz kompozytów lotniczych CFRP, GFRP-R i GFRP-S utwardzanych autoklawowo i rezystywności kontaktowej laminatów hybrydowych aluminium - CFRP oraz aluminium - GFRPCFRP. Rezystywność powierzchniową kompozytu węglowego wyznaczano przy umieszczeniu elektrod paskowych równolegle i poprzecznie do kierunku włókien. W laminatach elektrody wklejono pomiędzy blachę i kompozyt oraz pomiędzy kompozyty węglowy i szklany, równolegle do przebiegu włókien. Podczas pomiarów rezystywności powierzchniowej mierzono zmianę temperatury, wykorzystując kamerę termowizyjną. W wyniku badań wykazano bardzo wysoką rezystywność warstwy anodowanej, porównywalną z rezystywnością kompozytu GFRP, potwierdzając właściwości izolacyjne tych materiałów. Kompozyt CFRP charakteryzuje słaba przewodność elektryczna, przy czym rezystywność jest o trzy rzędy wyższa od spotykanej w literaturze. Ponieważ badany kompozyt należy do wysokojakościowych z certyfikatem lotniczym i utwardzany był w autoklawie, cechuje się dużą jednorodnością strukturalną, znikomą porowatością i wysoką czystością powierzchni, co przekłada się na wyższą wartość rezystancji. Pomiary rezystywności kontaktowej w układzie płaskim (‘in-plane”) wykazały, że na granicy kompozytu CFRP z aluminium i z kompozytem GFRP rezystywność odpowiada rezystywności powierzchniowej CFRP, co świadczy o uzyskaniu bariery izolacyjnej.

Słowa kluczowe

EN

CFRP; FML; surface resistivity; contact resistivity

PL

CFRP; FML; oporność powierzchniowa; oporność kontaktowa

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2016
• Tom: R. 16, nr 4
• Strony: 223--229
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Surowska B.

• Faculty of Mechanical Engineering, Lublin University of Technology, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, Poland

autor

Ostapiuk M.

• Faculty of Mechanical Engineering, Lublin University of Technology, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, Poland

Bibliografia

• [1] Mandel M., Krüger L., Determination of pitting sensitivity of the aluminium alloy EN AW-6060-T6 in a carbon-fibre reinforced plastic/aluminium rivet joint by finite element simulation of the galvanic corrosion process, Corrosion Science 2013, 73, 172-180.
• [2] Dursun T., Soutis C., Review: Recent developments in advanced aircraft aluminium alloys, Materials and Design 2014, 56, 862-871.
• [3] Vlot A., Gunnink J.W., An Introduction. Fibre Metal Laminates, Kluwer Academic Publishers, Dodrecht, The Netherlands 2001.
• [4] Alexopoulos N.D., Dalakouras Ch.J., Skarvelis P., Kourkoulis S.K., Accelerated corrosion exposure in ultrathin sheets of 2024 aircraft aluminium alloy for GLARE applications, Corrosion Science 2012, 55, 289-300.
• [5] Todoroki A., Tanaka M., Shimamura Y., Measurement of orthotropic electric conductance of CFRP laminates and analysis of the effect on delamination monitoring with an electric resistance change method, Composites Science and Technology 2002, 62, 619-628.
• [6] Park J., Hwang T., Kim H., Doh Y., Experimental and numerical study of the electrical anisotropy in unidirectional carbon-fibre-reinforced polymer composites, Smart Materials and Structures 2007, 16, 57-66.
• [7] Sala G., Olivier M., Bettini P., Sciacovelli D., Embedded Piezoelectric Sensors and Actuators for Control of Active Composite Structures; http://naca.central.cranfield.ac.uk/dcsss/2004/D13_47_SalaEDITfinal.pdf
• [8] Cai B.P., Liu Y.H., Ren C.K., Liu Z.K., Tian X.J., Abulimiti A.B., Experimental study of galvanic corrosion behaviour of carbon fibre composite coupled to aluminium in artificial seawater, Corrosion Engineering, Science and Technology 2012, 47(4), 289-296.
• [9] Liu Z., Curioni M., Jamshidi P., Walker A., Prengnell P., Thompson G.E., Skeldon P., Electrochemical characteristics of a carbon fibre composite and the associated galvanic effects with aluminium alloys, Applied Surface Science 2014, 314, 233-240.
• [10] Ireland R., Arronche L., La Saponara V., Electrochemical investigation of galvanic corrosion between aluminum 7075 and glass fibre/epoxy composites modified with carbon nanotubes, Composites: Part B 2012, 43, 183-194.
• [11] Peng Z., Nie X., Galvanic corrosion property of contacts between carbon fibre cloth materials and typical metal alloys in an aggressive environment, Surface & Coatings Technology 2013, 215, 85-89.
• [12] Arronche L., Gordon K., Ryu D., La Saponara V., Cheng L., Investigation of galvanic corrosionbetween AISI 1018 carbon steel and CFRPs modified with multi-walled carbon nanotubes, Journal of Material Science 2013, 48, 1315-1323.
• [13] Santos T.F.A., Vasconcelos G.C., de Souza W.A., Costa M.L., Botelho E.C., Suitability of carbon fibre reinforced polymers as power cable cores: Galvanic corrosion and thermal stability evaluation, Materials and Design 2015, 65, 780-788.
• [14] Athanasopoulos N., Sikoutris D., Siakavellas N.J., Kostopoulos V., Electrical resistivity prediction of dry carbon fibre media as a function of thickness and fibre volume fraction combining empirical and analytical formulas, Composites Part B 2015, 81 26-34.
• [15] ASTM D257-99 Test Methods for DC Resistance or Conductance of Insulating Materials.
• [16] Habib K., Measurement of surface resistivity and surface conductivity of anodised aluminium by optical interferometry techniques, Optics &Laser Technology 2012, 44, 318-321.
• [17] Bolz R.E., Tuve G., Tables for Applied Engineering and Science, CRC Edition 2nded. 1976, 262.
• [18] Wang S., Chung D.D.L., Apparent negative electrical resistance in carbon fibre composites, Composites Part B 1999, 30, 579-590.
• [19] Lee J.U., Kim G.Y., Jung I.H., Park G.H., Negative resistance and current oscillation phenomena in oriented polypropylene films, Journal of Electrochemical Society 1997, 144, 7 2284-2290.
• [20] Kawamoto A., Suzuoki Y., Mizutani T., Negative - resistance characteristics of organic-dye-doped thin-polymer-film device, Proceedings of Fifth International Conference of Applied Dielectric Materials 1997, 1, 530-533.
• [21] Lotfi Neyestanak A.A., Adib Nazari S., Sadeghbeigi N., Karimzadeh A., Electrical behaviour of glass/carbonphenolic conductive hybrid composite woven used in electrostatics precipitator filter, Int. J. Electrochem. Sci. 2014, 9, 6416-6430.
• [22] http://www.toraycfa.com/pdfs/T300DataSheet.pdf [access 1 November 2016]
• [23] Yang C.Q., Wu Z.S., Huang H., Electrical properties of different types of carbon fibre reinforced plastics (CFRPs) and hybrid CFRPs, Carbon 2007, 45, 3027-3035.
• [24] Taipalus R., Harmia T., Zhang M., Friedrich K., The electrical conductivity of carbon-fibre-reinforced polypropylene/polyaniline complex blends: experimental characterisation and modelling, Composite Science and Technology 2001, 61, 801-814.
• [25] Tchmutin I., Letjagin S., Shevtshenko V., Ponomarenko A., Conductive polymer composites, High molecular bonding 1994, 36(4), 699-713.
• [26] Schulte K., Baron Ch., Load and failure analysis of CFRP laminates by electrical resistivity measurements, Composite Science and Technology 1989, 36, 63-76.
• [27] Angelidis N., Wei C.Y., Irving P.E., The electrical resistance response of continuous carbon fibre composite laminates to mechanical strain, Composites: Part A 2004, 35, 1135-1147.
• [28] Lin Y., Gigliotti M., Lafarie-Frenot M.C., Bai J., Marchand D., Mellier D., Experimental study to assess the effect of carbon nanotube addition on the through-thickness electrical conductivity of CFRP laminates for aircraft applications, Composites Part B 2015, 76, 31-37.
• [29] Wang W.X., Takao Y., Matsubara T., Galvanic Corrosion-Resistant Carbon Fibre Metal Laminates, 16th International Conference on Composite Materials, Kyoto, Japan 2007.
• [30] Abry J.C., Bochard S., Chateauminois A., Salvia M., Giraud G., In situ detection of damage in CFRP laminates by electrical resistance measurements, Composites Science and Technology 1999, 59, 6, 925-935.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.