航空复合材料结构雷击损伤与雷击防护的研究进展

新型飞机均大量使用纤维增强树脂基复合材料(FRP)作为结构用材,若缺乏足够的保护措施,在遭受雷击之后,这些FRP结构往往会出现比传统飞机相应金属结构更为显著的损伤和破坏,因此,新型飞机FRP结构的雷击防护是一个对航空运行安全具有重大影响的关键问题。综述了国内外关于雷击产生的热/电/磁单一场或复合耦合场对飞机FRP结构造成的损伤问题的研究进展,探讨了雷击时飞机FRP结构中直接损伤和间接损伤的形成机理,分析了飞机FRP结构雷击损伤程度的影响因素。此外,还对当前飞机雷击防护领域常用的雷击防护措施以及飞机FRP结构雷击防护能力的鉴定试验进行了介绍,展望了飞机FRP结构雷击防护领域的研究重点和难点。     

碳纤维增强复合材料雷击损伤实验及电-热耦合仿真

为了研究碳纤维增强复合材料(CFRP)在雷电流作用下的损伤规律,对CFRP进行了雷电流直接效应实验和电-热耦合效应仿真。首先,利用冲击电流发生装置进行了雷电流的直接效应实验,对比了不同电流峰值情况下CFRP的表面损伤情况,并通过C扫描观察了内部损伤。实验结果表明:CFRP的损伤范围随电流峰值增大而显著增大,且内部损伤的范围远大于表面损伤的范围。之后,对试件进行了电-热耦合有限元分析,并利用叠加的温度场范围近似表示内部损伤的范围,与实验结果的对比说明了此方法的有效性。不同类型及不同作用积分的冲击电流作用下的电-热耦合分析结果表明,作用积分是影响损伤范围的重要因素。     

含紧固件复合材料层压板结构雷击烧蚀损伤特征分析

为了对含紧固件复合材料层压板的雷击烧蚀损伤特征进行分析,根据雷击过程中的能量平衡关系,建立了含紧固件复合材料层压板结构雷击烧蚀损伤数学分析模型。基于该分析模型,在ABAQUS中建立了含紧固件复合材料层压板结构雷击烧蚀损伤分析三维有限元模型,并对不同电势边界条件下的雷击烧蚀损伤进行了分析。分析结果表明:由于金属紧固件的存在,雷电流可以通过紧固件沿层压板结构厚度方向传导,然后在各铺层内进行电流分配,各方向铺层传导雷电流的能力与该层电势梯度方向和电势梯度方向的电导率有关;在不同的电势边界条件下,各层的电势分布有所差异,从而导致了各铺层传导雷电流能力的不同,最终引起不同的雷击烧蚀损伤分布。通过本文的研究,能够对含紧固件复合材料层压板结构的雷击烧蚀损伤特征有定性的认识。     

含雷击热-力耦合损伤复合材料层压板拉伸剩余强度预测

为了对含雷击热-力耦合损伤复合材料层压板的剩余强度进行预测,基于连续介质损伤力学法(CDM)和唯象分析法,建立了表征复合材料雷击热-力耦合损伤的刚度矩阵渐进损伤退化模型。基于该模型,通过ABAQUS有限元仿真软件,建立了含雷击热-力耦合损伤的复合材料层压板结构三维模型。结合UMAT子程序,完成了拉伸载荷下的剩余强度预测。结果表明:通过与试验对比,仿真结果与试验结果取得了良好的一致性。本文所建立模型,能够有效进行含雷击热-力耦合损伤复合材料层压板结构拉伸剩余强度预测。     

碳纤维增强银粉改性树脂复合材料的雷击损伤效应

针对碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料中树脂电阻大,在雷电流作用下会产生大量焦耳热造成雷击损伤的短板,探索通过增强基体的导电性来解决这一问题。为实现对CFRP复合材料的改性,在其环氧树脂浆料中加入了以Ag粉为主的导电填料,使改性CFRP复合材料层合板沿厚度方向的电导率提高217.30倍。采用不同峰值的单一雷电流D分量分别对改性及未改性CFRP复合材料层合板试件进行雷击损伤实验,通过损伤区域超声C扫描图像、试件残余温度场和仿真热解损伤的对比,分析基体改性对CFRP复合材料雷击损伤的防护机制。结果表明:通过Ag粉改性能有效提高CFRP复合材料层合板的电导率,且在厚度方向上的改性效果最佳;在峰值电流分别为20 kA、40 kA和60 kA的条件下,改性CFRP复合材料层合板的损伤面积分别下降87.28%、77.82%和88.59%,损伤深度分别增加147.06%、130.65%和119.72%;以损伤体积为最终指标,则Ag粉改性基体能有效降低CFRP复合材料的雷击损伤,其防护机制是通过减少雷电流作用下的高温区域面积和升温幅度来降低热解和爆炸冲击实现。      

不同防护形式复合材料板雷击损伤分区特性

基于A+B+C+D 4种标准雷电流波形的联合作用,开展了不同防护形式复合材料板雷击试验。考虑放电通道物理特性,分析放电通道与复合材料表面间的作用过程,将复合材料表面损伤区域分解成初始附着区、附着传导区、附着扩展区、二次附着区和扫掠损伤区,并对未防护基准件、局部喷铝、全喷铝防护件及铜网防护件4类板的各区域进行了损伤特性分析。结果表明:复合材料表面损伤是强电磁场条件下放电通道热电物理特性与复合材料表面热电特性及电荷分布的共同作用结果;复合材料表面铝层喷涂方式、厚度以及均匀程度均影响表面损伤的对称性和损伤分区特性;铜网防护造成复合材料板表面粗糙使得表面损伤分区复杂;表面电荷累积特性和分布的均匀程度直接影响二次附着区和扫掠损伤区的分布;复合材料表面雷击损伤包括纤维升华、断裂、起毛,基体炭化熔融、烧蚀,材料分层、剥落以及防护材料的熔融汽化和断裂等。分析结果可以用于复合材料雷击防护定性设计。     

雷电流组合波形下碳纤维/环氧树脂基复合材料层压板雷击损伤试验

为了评估碳纤维/环氧树脂基复合材料位于不同飞机雷击分区下的雷击损伤程度及损伤特征,采用A+B、D+B+C和A+B+C+D 3种不同的雷电流波形组合,对两类不同尺寸复合材料层压板试验件（Type1和Type2）进行了模拟雷电流冲击试验,通过目视损伤观察和超声损伤扫描,分析评估了复合材料位于飞机1A区、2A区及1B区时的雷击损伤程度及特征,同时还对含铜网防护碳纤维/环氧树脂基复合材料层压板在不同雷击分区下的雷击防护效果进行了评估。结果表明：不同雷击分区下,碳纤维/环氧树脂基复合材料在雷电流作用下的损伤模式基本一致,包括纤维断裂、基体烧蚀及分层损伤;对于相同类型试验件,1B区对应雷击损伤程度最严重,其次为2A区,1A区损伤程度最小;在相同雷击分区下,长宽比较小的Type1型试验件雷击损伤程度大于长宽比较大的Type2型试验件;0.25 mm厚铜网能够有效对碳纤维/环氧树脂基复合材料进行雷击防护,位于1A区、2A区及1B区的含防护与无防护Type2型试件,前者雷击损伤程度较后者分别下降88.9%、53.9%和68.7%。     

湿热环境对碳纤维增强树脂基复合材料力学性能的影响及其损伤机理

采用加速吸湿法研究经3种湿热环境(湿度为85%RH,温度分别为25,70,85℃)处理后CFRP层合板的吸湿特性,对吸湿前后的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板分别进行拉伸、压缩、剪切实验,研究其力学性能变化规律,利用扫描电镜和红外光谱分析湿热环境中CFRP层板的损伤机理,最后采用最小二乘法拟合提出湿热环境下CFRP层合板力学性能的预测公式。结果表明:CFRP层合板的吸湿初期特性符合Fick定律;相同湿度下环境温度越高,CFRP的吸湿速率和平衡吸湿率越大,达到吸湿平衡所需时的间越长;3种湿热环境处理后的CFRP层板的90°拉伸和剪切力学性能下降最明显;经湿热环境处理后水分子通过氢键与环氧树脂发生缔合,但CFRP层合板中的各组分未发生化学结构变化;拟合建立的不同湿热条件下力学性能衰退公式与实验结果基本一致。     

碳纤维增强聚合物基复合材料雷击损伤研究进展

目前航空航天飞行器使用较多的碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP)结构在遭遇雷击等强电磁环境时,往往表现出更严重的损伤和破坏。总结了针对CFRP雷击损伤特性开展的理论和试验研究,揭示了雷电流作用下CFRP直接损伤的形成机理,并从不同角度探讨了影响CFRP直接雷击损伤的因素。此外,对雷电冲击后的复合材料剩余强度问题进行了分析。未来继续开展CFRP直接雷击损伤研究工作时,仍需进一步考虑实际雷电环境下电流的综合影响。     

不同防护碳纤维复合材料层合板雷击后的轴向压缩试验

针对不同防护措施下的典型碳纤维复合材料层合板,在其雷击损伤后开展轴向压缩试验研究。试验件分为没有防护措施、局部喷铝防护和全喷铝防护三类。分别对试验件进行轴向压缩试验直至其失去承载能力,记录其最大破坏载荷,并将试验结果进行对比分析。研究结果表明:防护层能起到很好的雷击防护效果,且全喷铝涂层的雷击防护效果最好。跟没有防护措施的试验件相比,全喷铝防护的试验件压缩强度提高了37.84%。     

碳纤维对工程结构加固的试验研究

碳纤维及其复合材料是伴随着军工事业的发展而成长起来的新型材料,碳纤维布由于其高强、轻质、耐腐蚀等优点而广泛用于结构加固中,与其它加固方法相比,碳纤维布加固具有易于施工、工效高、造价低且耐腐蚀等优点.本文在总结前人工作基础上,研制了用于碳纤维布加固的GF结构胶,并测试了其物理力学性能;通过试验研究了碳纤维布加固梁在荷载作用下的挠度、强度、裂缝展开情况及破坏模式.试验结果表明,经过碳纤维布加固的梁,其承载能力和刚度均较未加固梁有较大幅度的增加,采用碳纤维布加固对裂缝的开展有明显的约束效果.     

CFRP/Al叠层结构制孔缺陷的有限元仿真

应用Abaqus有限元仿真软件,建立了CFRP/Al钻削有限元仿真模型,对CFRP/Al钻孔过程中碳纤维复合材料的撕裂、分层损伤及毛刺的特征和形成机理进行了仿真研究,并进一步分析了切削速度、进给量对CFRP/Al叠层结构制孔缺陷的影响规律。结果表明:麻花钻横刃对碳纤维的拉伸作用是造成撕裂的主要原因;毛刺主要产生在纤维被切削时处于拉伸状态的区域,铝合金切屑对CFRP的划伤也是毛刺形成的原因之一;在CFRP/Al叠层结构制孔缺陷中分层损伤最显著,进给量和切削速度对出入口分层损伤成正相关且对入口处分层影响更大;在这种叠层结构中,铝合金板的支撑作用有效减小了碳纤维复合材料层出口的分层损伤。     

Lightning Strike Ablation Damage Influence Factors Analysis of Carbon Fiber/Epoxy Composite Based on Coupled Electrical-Thermal Simulation

According to the mathematical analysis model constructed on the basis of energy-balance relationship in lightning strike, and accompany with the simplified calculation strategy of composite resin pyrolysis degree dependent electrical conductivity, an effective three dimensional thermal-electrical coupling analysis finite element model of composite laminate suffered from lightning current was established based on ABAQUS, to elucidate the effects of lighting current waveform parameters and thermal/electrical properties of composite laminate on the extent of ablation damage. Simulated predictions agree well with the composite lightning strike directed effect experimental data, illustrating the potential accuracy of the constructed model. The analytical results revealed that extent of composite lightning strike ablation damage can be characterized by action integral validly, there exist remarkable power function relationships between action integral and visual damage area, projected damage area, maximum damage depth and damage volume of ablation damage, and enhancing the electrical conductivity and specific heat of composite, ablation damage will be descended obviously, power function relationships also exist between electrical conductivity, specific heat and ablation damage, however, the impact of thermal conductivity on the extent of ablation damage is not notable. The conclusions obtained provide some guidance for composite anti-lightning strike structure-function integration design.     

碳纤维复合材料在空间光学相机中的应用研究

随着空间光学相机口径的增大,相机的质量也随之增加,要满足轻质量、高分辨的空间相机要求,碳纤维复合材料是一个很好的选择。根据空间光学相机的精度、稳定性要求,对比了空间相机中常用材料的性能,分析了碳纤维复合材料应用于空间光学相机的三大优势和两大劣势,介绍了国内外碳纤维复合材料在空间相机中的应用概况和水平,指出了碳纤维复合材料在空间光学相机中的广泛应用必然是未来空间光学相机的发展方向。     

碳纤维复合材料保险杠铺层优化设计研究

对碳纤维复合材料保险杠碰撞性能进行研究,并进行铺层优化设计。先在HyperStudy中进行试验设计获得大量试验数据,然后采用HyperKriging方法构建近似模型,随后采用遗传算法进行铺层优化,最后将最优解重新代入原模型,进行运算验证。相对于原钢制保险杠,优化后的碳纤维复合材料保险杠有更佳的安全性能,且质量显著减轻,减轻63.3%。碳纤维复合材料对于汽车碰撞安全性及轻量化具有重要的研究意义。     

碳纤维复合材料旋转超声钻孔装置研究

探索碳纤维复合材料旋转超声钻孔设备及工艺，换能器采用压电陶瓷材料，进给由步进电机驱动，从而使结构大为简化。单片机作为中心控制，实验预定轴向力进给加工，而且超声波发生器具有频率自动跟踪的能力。试验表明，此项研究可望作为一种有效的新工艺方法。     

湿热环境对CFRP复合材料性能影响研究进展

湿热环境会造成碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的性能退化,因此该问题引起了国内外学者的广泛关注和研究。综述了CFRP复合材料的吸湿特性、湿热环境对CFRP复合材料力学性能的影响和破坏机理,以及湿热环境下CFRP性能的模拟和预测研究,并在此基础上对湿热环境下CFRP性能的研究前景进行了展望。     

Laser Surface Modification of Carbon Fiber Reinforced Composites

The removal of top resin layer is an essential task prior to adhesive bonding of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites. This paper investigates the technical feasibility of using a low power continuous wave carbon dioxide laser for removing the top resin layer of CFRP without damaging the underlying fiber. The operating window and damaging threshold were experimentally determined. Irradiating the CFRP surface at a power of 14 W, scanning speed of 880 mm/sec, and a beam overlap of 25% provides an optimal thermal condition for removal of top resin layer. A finite element model was used to explain the removal mechanisms.