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。     

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%。     

雷击对碳纤维增强型航空复合材料损伤的影响

依据有限元仿真软件ABAQUS,建立碳纤维增强型复合材料(CFRP)层合板雷击损伤热-电耦合有限元仿真模型。利用叠加温度场的方法来近似表示内部受损状态,通过对比实验验证热-电耦合仿真方法的正确性与有效性。利用回归统计分析技术,定量分析雷电参数与CFRP雷击损伤的相关性,并绘制相关曲线。结果表明:雷电流比能是决定CFRP雷击损伤的关键因素,纤维破坏面积、分层面积与比能具有线性相关性,树脂破坏面积、分层厚度与比能具有对数相关性。     

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。     

碳纤维增强树脂复合材料在多重连续雷电流冲击下的损伤特性

通过对比碳纤维增强树脂复合材料（CF/EP）层合板在单一雷电流脉冲及不同组合及时序的多重雷电流分量作用下的雷击损伤特性,探索多重连续雷电流分量在CF/EP层合板上的散流过程与作用机制。研究发现CF/EP层合板在雷电流脉冲作用下出现纤维断裂、烧蚀、树脂热解、铺层分离等严重雷击损伤。在雷电流A、B、C及D分量连续作用下,CF/EP损伤面积达到2 790 mm2,损伤深度约1.28 mm。在多重连续雷电流脉冲作用下,CF/EP的雷电损伤深度主要与雷电流A、B及D分量的冲击力效应及介质击穿效应有关,而持续时间长、转移电荷量大的雷电流C分量的热效应对损伤面积的贡献接近40%。CF/EP层合板雷击损伤特性与雷电流分量的组合及作用时序关系密切,雷电流分量单独作用时造成的CF/EP雷击损伤效果与处于多重连续脉冲序列中时所造成的雷击损伤效果有很大差异。对CF/EP在多重连续雷电流作用下损伤效应的研究能够加深对雷电作用过程的理解,并为CF/EP雷电直接效应机制研究及试验方法的建立及完善提供实验和理论依据。      

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。     

碳纤维/环氧树脂复合材料动态拉伸试验研究与损伤分析

利用MTS试验机和分离式Hopkinson拉杆对2种碳纤维/环氧树脂(T300/epoxy)层合板试件[(45/-45)₄]_S和[(0/45/90/-45)₂]_S进行了准静态(应变率10-5~10-4 s-1)、中速(应变率10-1~101 s-1)和高速(应变率102~104 s-1)冲击拉伸试验。在热力学框架内建立了基于损伤能释放率的弹塑性动力损伤本构模型,用该损伤模型来分析试件的动态拉伸失效过程。模型中提出了3种基本损伤机制(纤维断裂、基体开裂及面内剪切)的演化规律,通过对损伤阈值黏性归一化的方法考虑了应变率对损伤演化的影响。编写了该模型有限元用户材料子程序,并模拟了拉伸试验过程,计算结果表明该模型能够较好地模拟碳纤维/环氧树脂层合板动态拉伸失效过程。     

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。      

Experimental study of damage characteristics of carbon woven fabric/epoxy laminates subjected to lightning strike

This paper experimentally investigates the damage characteristics of two stacking sequenced ([45₂/0₂/−45₂/90₂]s, [30₂/0₂/−30₂/90₂]s) carbon woven fabric/epoxy laminates subjected to simulated lightning strike. Characteristics of the damage are analyzed using visual inspection, image processing, ultrasonic scanning and scanning electron microscope. The mechanical properties of post-lightning specimens are then studied. Observations show that as the lightning strike is intensified, an enlarged resin pyrolized area appears majorly along the weft orientation while the delamination region extends equally to both of the warp and the weft direction. The resin/fiber interfacial bonding is severely damaged by a thermal–mechanical effect due to lightning strike infliction. Mechanical testing further shows that the stacking sequence can influence the failure significantly. Compared with prepreg taped material, the restrained damage area due to special designed stacking sequence, lamina thickness and the weft nylon binder make the woven fabric reinforcement a good choice for the fabrication of lightning protection structures.     

模拟雷电流作用下单向碳纤维/环氧树脂预浸料的电阻特性

为探究碳纤维/环氧树脂预浸料在雷电流作用下的电阻特性,采用10/350 μs波形的低峰值模拟雷电流对单向碳纤维/环氧树脂预浸料进行模拟雷击试验,并采用四电极法测量试验前后碳纤维/环氧树脂预浸料的直流（DC）电阻,利用SEM和拉曼光谱对雷击前后碳纤维/环氧树脂预浸料微观形态、物相结构进行表征,系统研究了受雷击后单向碳纤维/环氧树脂预浸料的DC电阻变化的原因。结果表明:单向碳纤维/环氧树脂预浸料DC电阻不随雷电流峰值的增加单调变化,而是呈先减小后增大的趋势,这是碳纤维石墨化、环氧树脂绝缘性能劣化、碳纤维断裂、隧道效应等因素综合作用的结果。