摘 要：碳纖维增强塑料（carbon fiber reinforced plastic，CFRP）作为一种新型无机非金属基复合材料，具有优良的机械性能和力学性能，在工业和国防领域均得到广泛关注，特别是在汽车行业和大飞机生产过程。作为重要性能参数之一，电导率的研究对于CFRP的无损探伤、预防雷击、电磁屏蔽等具有重要意义。在深入分析CFRP的导电原理的基础上，综合考虑其不均匀性和各向异性，分别从实验方法、解析方法和数值仿真等方面对目前流行的CFRP电导率检测技术进行总结和对比，提出了更简单实时的实验方案，更精确有效的仿真模型和解析是下一步CFRP电导率研究的方向和目标。
关键词：无机非金属基复合材料;碳纤维增强塑料;电导率;各向异性;不均匀性
中图分类号：TB332 文献标志码：A
文章编号：1008-1542（2018）06-0502-09
碳纤维增强塑料（carbon fiber reinforced plastic，CFRP）是由碳纤维作为增强体与树脂等基体复合而成，具有耐高温、耐腐蚀、质量轻、机械强度高的优点，已广泛应用于航天、航空、能源、汽车等领域[1-3]。2011年国务院《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》及2012年工业和信息化部《新材料产业“十二五”发展规划》等均提到应重点发展高性能纤维产业，尤其是包含CFRP在内的碳纤维复合材料[4]。
CFRP的一个重要发展目标为在国产大型飞机上的应用。据国家知识产权局专利检索与服务系统统计，截止至2012年9月20日，CFRP在大型民用飞机中的全球专利申请量为3 692项，其中中国为248项，这说明中国在该领域应投入更多的科研经费、调动更广泛的科研力量[5]。2017年5月5日14时，中国第1架自行研制、具有完全自主知识产权的喷气式大型客机C919在上海浦东机场一飞冲天，其机身首次大面积使用了碳纤维树脂基复合材料。由于CFRP在大型飞机上用量多达35 t，并且分布在机身、风叶层板、夹芯板等关键部件，故研究CFRP的机械性能和电磁性能具有重要意义。
CFRP虽然机械性能优良，但其质地较脆，环境稳定性差[6]。中国从20世纪70年代开始致力于CFRP的研究，但由于各种因素的制约一直处于低速发展状态。目前中国CFRP产业存在巨大的供需矛盾，究其原因，不仅来自于CFRP生产环节，同样来自于产业链中后续技术环节的不完善。精确的特性测试和准确的参数评估将成为CFRP产业链发展的一个关键环节。作为关键性能之一，CFRP导电性研究的必要性如下[7-8]。
1） 为了在工业应用中在线实时进行应变参数的监测，通过电导率信号联系CFRP自身在使用过程中损伤的发生、发展甚至破坏，获得CFRP在各种应用环境下的电阻预警值或安全阈值。CFRP导电性与碳纤维的含量、方向等因素密切相关，其变化趋势与损伤类型、测试系统的输出信号具有很强的关联性，可真正达到安全健康监控的目的[9-12]。
2） 作为重要应用之一，CFRP通常用于制作飞机起落架，如空客A380。然而CFRP较低的导电性意味着必须在其上附着金属以避免光冲击或空气摩擦导致电荷聚集。故研究既具有优秀的机械性能，同时具备良好导电性能的新型CFRP成为国内外相关工作者的研究热点[13-17]。
3） 由于大量的大功率雷达、通信和其他密集电子设备的使用，使得飞机对电磁兼容和电磁屏蔽的技术要求越来越高。而CFRP导电性远低于传统的金属材料，外部电磁信号很容易耦合进入内部，造成电磁干扰。作为电磁屏蔽材料时，CFRP导电性是一项重要的参数指标。通过调整碳纤维的铺设方向、含量等参数，可大范围调节CFRP的电阻率，使其具有更高和更均匀的屏蔽效果[18-20]。
可见，研究CFRP的电导率及其他电学特性对于研究电磁兼容性、涡流无损探伤和机电方面的用途是非常重要的。但CFRP具有明显的电的各向异性，加之其不均匀性，对测量方法和计算过程提出了严苛的要求[21]。
1 CFRP导电性能介绍
单层CFRP板包括碳纤维、树脂基体以及两者间的界面。虽然树脂基体为绝缘材料，但由于碳纤维的体积电阻率为12×10-3～30×10-4 Ω·cm，使CFRP具有一定的导电性能，碳纤维含量、铺设方向、长径比、薄板几何参数及两相之间过渡区域的三维界面相均会影响CFRP的导电性，如图1 a）所示。
对于典型的CFRP板（碳纤维体积分数约60%～70%），沿着纤维的方向，纵向电导率的范围约为5×103～5×104 S/m;与之垂直的方向上，横向电导率为10～100 S/m。当CFRP作为结构材料时，一般将多层单向CFRP压制成多向板，如图1 b）所示。每层CFRP之间也会存在电导率，大小与铺层间的压合程度有关，一般认为是横向电导率的一半左右[18]，CFRP内部等效电阻通道如图2所示。此时，不仅要分析单层CFRP薄板的导电模式，更须分析不同铺层间界面在导电行为中的作用。另外，CFRP薄板的层数、叠放方向、铺层厚度等参数的影响均要考虑[22]。
2 CFRP电导率研究现状
2.1 实验方法
实验方法作为最直观有效的测量方法在CFRP的电导率测量中占据重要地位，尤其是在CFRP电各向异性的前提下，实验方法较之其他方法具有简单可行的优点。下面针对国内外学者所进行的各种实验及其方法进行叙述和总结。
2.1.1 国外研究现状
20世纪70年代，国外学者开始对CFRP的导电性能进行研究，他们往往选择含有单向碳纤维的CFRP，并热衷于分析电导率作为CFRP自传感特征参数的潜力。瑞士Brown Boveri 研究中心