飞机复合材料表面导电层的雷击仿真研究

复合材料在飞机上的应用越来越广泛,与金属相比复合材料导电性较差,因此处于雷击区域的复合材料部件表面要设计导电防护层以承受雷击时的瞬间放电,避免复合材料部件的烧蚀损伤。本研究利用数值仿真的方法建立了数学模型,计算了复合材料表面导电层通过雷击电流脉冲后的电场和温度场分布,并对该导电层的雷击防护能力及可靠性进行了评价。模拟结果表明,厚度为0.20 mm的铝导电层最适宜做飞机表面的雷击防护层。     

飞机新型抗雷击复合材料研究进展

复合材料导电性差,一旦遭受雷击,便会产生严重的损伤。随着复合材料在飞机上的用量越来越大,如何对复合材料进行雷电防护,保证飞机遭遇雷击后能够继续安全飞行,成为飞机设计中的一个难点。文中首先分析了复合材料在雷击时的损伤机理,之后介绍了近几年来新型的复合材料雷电防护方法,并结合上述方法,为新型飞机复合材料雷电防护提出了建议。     

不同喷铝参数对复合材料雷击防护性能模拟

为了研究复合材料不同的雷击防护(lightning strike protection,LSP)系统在雷电流作用下的损伤规律,对雷击损伤过程和烧蚀机理进行分析,建立复合材料层合板雷击防护的能量平衡数学模型。在此基础上,在ABAQUS中建立复合材料基准件、全喷铝和局部喷铝防护系统的碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)层合板电-热耦合有限元模型,和实验结果对比验证模型的有效性,对雷击烧蚀损伤特征进行分析,并引入雷击烧蚀损伤指数DI,得出三种不同模型在不同铝涂层厚度、不同峰值雷电流作用下的烧蚀损伤规律,并对两种不同的局部喷铝防护系统下复合材料的损伤特征进行对比分析。结果表明:雷击防护系统下复合材料的烧蚀损伤面积和铝涂层厚度关系进行函数拟合,两者均满足幂函数关系。     

辐射/ 烧蚀交替型柔性防热复合材料

通过优化防热方式,提高柔性防热材料的烧蚀防热性能,设计制备了一种辐射/烧蚀交替型柔性防热材料,该柔性防热材料由多层复合防热布叠合构成,复合防热布是一种烧蚀体表面附着辐射层的复合材料,并通过氧乙炔烧蚀试验评价了其热防护性能。通过辐射层表面处理方法提高辐射层与烧蚀层的粘接性,用T型剥离试验、SEM评价了其粘接性能。结果表明,较烧蚀型防热材料,辐射/烧蚀交替型柔性防热材料具有更优异的热防护性能,烧蚀后防热层完好数更多,背温更低;表面处理方法可有效提高剥离强度,在处理剂浓度为5%时,效果最佳。     

复合材料雷击防护电热耦合模型

为了研究复合材料雷击防护(lightning strike protection,LSP)系统在雷电流作用下的损伤规律,基于雷击过程中的能量守恒关系,建立复合材料层合板雷击防护的电-热耦合数学模型。在此基础上,在ABAQUS中建立铝涂层防护的碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)层合板雷击烧蚀损伤有限元模型,并对雷击烧蚀损伤进行分析,和实验结果对比验证仿真的有效性,得出复合材料层合板在不同峰值雷电流、不同组合波形和不同铝涂层厚度雷电流作用下的烧蚀损伤规律。结果表明:铝涂层厚度相同时,峰值电流从50 kA增大到100 kA时,复合材料层合板损伤面积约增大1.5倍;10/350波形50 kA峰值雷电流作用下,基准件的损伤面积约为0.05 mm厚度铝涂层防护系统下复合材料损伤面积的4倍。     

复合材料整体油箱雷电防护试验研究

为了验证采用铺贴铝网复合材料整体油箱雷电防护设计效果,设计了雷电防护试验件,给出了试验方法,并通过模拟雷电环境,对整体油箱进行了雷电直接效应试验。结果表明:做了钉头密封并在结构表面采取了铝网防护的区域,没有火花产生,油箱内部温度均低于800℃;入击点直接入击到钉头上时,破坏性最大,周边结构烧蚀面积和内部分层面积都比其他情况严重;在连接件处没有覆盖铝箔网时钉损伤严重,且部分钉内部有火花产生。采用铺贴铝箔网设计的复合材料整体油箱雷电防护方法有效,但结构设计一定要保持电连续。     

碳纤维复合材料雷击损伤的瞬态红外热成像检测

通过雷电模拟,对复合材料层合板试样进行雷击损伤试验。基于热扩散原理,针对不同的雷击试验件,采用波形为长脉冲形式的瞬态热激励方式对雷击损伤进行红外热成像检测,并对不同时刻的检测结果进行分析、比较,对缺陷轮廓进行界定,对结果进行定量测量。检测结果表明,无论是否对碳纤维复合材料表面进行防护,瞬态红外热成像方法均能够有效检测出雷击后的内部分层损伤,可对损伤的严重程度进行有效区分,能够对缺陷尺寸、面积进行准确测量。     

C/E表面镀Al膜的原子氧试验

为了提高C/E复合材料的导电性及耐空间环境的能力,应用电弧离子镀技术在C/E复合材料表面沉积了A l膜,研究了地面模拟原子氧环境对C/E复合材料表面镀A l前后的侵蚀、质损及A l膜的附着力、导电性的影响。通过XRD、SEM、FT-IR、万能拉伸测试仪、FZ-82数字式四探针测试仪等测试分析样品。结果表明:电弧离子镀A l膜微米级以上颗粒较多,但分布均匀,膜层致密,附着力达2 N/mm2以上;原子氧对C/E复合材料侵蚀明显,镀铝后具有明显的防护作用;原子氧侵蚀后的A l膜电阻率有所上升,但还是有较好的导电性;辐照后的A l膜附着力比辐照前反而增加,其机理尚待进一步研究。     

碳纤维复合材料基体改性/铜网组合雷击防护性能的研究

传统碳纤维复合材料（CFRP）树脂基体导电性差易遭受雷击损伤,本文使用石墨烯-镀镍碳纤维粉作为导电填料,对树脂基体进行电导率改性,并在表面铺设铜网,进行模拟雷电流冲击试验,检验基体改性/铜网组合雷击防护效果。试验结果表明,树脂基体改性后CFRP层压板在0°、90°纤维方向及厚度方向电导率分别为1.1571×10⁴、1.0871×10⁴、204.2 S/m,分别提高1.54倍、1.16倍、433.47倍。200 kA模拟雷电流A波冲击下,无防护试件雷击附着后明火燃烧,次生效应持续,而单一铜网防护和组合防护则能抑制次生效应;无防护表面最大损伤直径14.62 cm,此能量下铜网被击穿,单一铜网防护表面最大损伤直径19.05 cm,而组合防护表面最大损伤直径8.93 cm,下降53.12%;相比无防护试件,单一铜网和组合防护内部损伤面积分别下降66.2%和96.7%。单一铜网击穿后,树脂烧蚀后产生汽化反冲,增大损伤铜网脱落面积;组合防护铜网击穿后,改性树脂迅速导走电流,减小铜网脱落和内部烧蚀面积。     

压敏胶的试成,促进了铝箔粘接标牌的选用

我厂对铝箔粘接标牌的选用,经过几年的生产实践,现已基本上找到一种能满足粘接性能要求的胶液。目前除了一些表面用皱纹漆或壳体为铸件不加工的仪表仍用铆接标牌外,其余均已采用了铝箔粘接标牌。     

Effect of adding Nb foil on joint properties of laser fusion welding for TC4 titanium and 7075 aluminum alloy

It is difficult to gain effective Ti-Al fusion welding joints due to their differences in thermal properties and the appearance of brittle Ti-Al Intermetallic Compounds (IMCs). The experiments of laser fusion welding for TC4 titanium and 7075 aluminum alloy were carried out, temperature field and ductility/brittleness, as well as chemical potential of elements, were calculated, and the effect of adding Nb foil on mechanical properties of the weld was also investigated. The results suggested that Nb atoms tend to diffuse toward Al side, which is conducive to the participation of Nb in the metallurgical reaction and contributes to forming the Ti-Nb-Al IMC layer at the interface. As the thickness of Nb foil increases, the tensile-shear force of joint climbs first but then declines, and reaches the highest value of 1663 N with 0.10 mm-thickness Nb foil, representing 58.38% enhancement compared with the non-added one. Adding Nb foil slows down the heat transfer as a blocker, and thus both the melting amount of Al and the mixing area of Ti and Al decrease. In addition, Nb alloying reduces the brittleness of the Ti-Al compound. Hence, the joint properties of titanium/aluminum are improved with the addition of Nb foil.     

铜/镍箔中间层对铝/钢激光焊接接头组织与力学性能的影响

研究以Ni、Ni/Cu箔片为中间层的铝/钢异种金属激光焊接行为,系统考察Cu/Ni箔片复合中间层的添加对铝/钢异种激光焊接接头组织与性能的影响。利用扫描电子显微镜和能谱仪对焊缝横截面的组织形貌和各区域的元素分布进行观察分析,利用X射线衍射仪对焊接接头的主要物相进行分析,并利用电子万能试验机对焊接接头进行拉伸实验以表征其力学性能,结果表明:Cu/Ni箔片做复合中间层加入时,其中加入0.02 mm厚Cu箔片时焊接接头的最大剪切力提高至1754.72 N;加入0.05 mm厚Cu箔片时的最大剪切力为734.97 N,相比只添加Ni箔片时焊接接头的最大剪切力反而下降。Cu箔片的添加使得铝/钢界面的物相组成、元素分布和微观组织形态发生改变,同时增加了熔池的流动性。在靠近不锈钢侧的Fe-Al脆性相中的部分Fe原子被Cu原子取代生成新的二元韧性相,从而抑制Fe-Al二元脆性金属间化合物的生成,有效改善铝/钢的焊接性。因此,Cu/Ni箔片复合中间层的加入,可以有效地改善铝/钢异种激光焊接过程中的冶金反应,进而提高焊接接头的力学性能。     

Solid nanomembrane manufacture using ion-plasma action

A process of manufacture of porous membranes made of aluminum foil (Al 99.99%) by the method of electrochemical anodic oxidation followed by a continuous barrier layer removal with ion-plasma irradiation is described. The membranes having a 8 mm diameter made from AL2O3 with a thickness from 2 to 5 microns thick with a regular channel arrangement are obtained. A possibility to change the channel diameter in the range of 20?C100 nm by adjusting voltage and temperature during the oxidation is shown. We present the experimental dependencies of aluminum and aluminum oxide sputtering coefficients on the energy and incidence angle of xenon ions within the energy range of 100??400 eV.     

陶瓷纤维梯度增强活塞的梯度方程研究

 功能梯度材料零件具有单质材料零件无法比拟的理化性能优势，然而由于材料分布复杂以及对功能梯度材料本身性能研究不充分，使性能分析存在很多困难。论文应用复合材料热性能理论，采用有限元分析软件ADINA，分析陶瓷纤维梯度增强活塞（材料梯度方程的参数不同）的温度分布和应力分布，结果表明陶瓷纤维梯度层可以明显改变活塞温度分布，缓和由于热膨胀系数不匹配，在陶瓷纤维增强层与活塞本体交界处产生的应力。根据计算结果拟合出温度峰值、整体应力峰值和层间应力峰值与方程系数之间的曲线，并加以验证。     

可重复使用复合材料气瓶设计及试验验证

为了适应未来重复使用运载器更高的重复使用性能要求,设计了一种航天用轻质高压可重复使用复合材料气瓶,采用金属内胆/复合材料层结构形式。复合材料采用T700碳纤维复合材料,金属内衬采用铝合金。采用有限元仿真和试验验证的方法对气瓶的强度和重复使用性能进行了分析和验证,其仿真爆破强度为81 MPa,试验爆破强度84 MPa,仿真与试验疲劳失效次数均大于1 200次。结果表明,所设计的重复使用复合材料气瓶满足23 MPa工作压力重复使用300次要求。     

组合结构对多层反射纳米材料高温隔热性能的影响

以超薄纳米隔热材料为间隔物、金属箔为反射层制备了多层反射纳米隔热材料,通过改变隔热材料的组合结构测试其隔热效果.结果表明:在研究范围内增加不锈钢箔层数、将不锈钢箔放置在低温区或在低温区用铝箔替代不锈钢箔都对隔热效果有利;测试温度高时隔热效果更好.     

Effects of in-situ TiB2 particles on machinability and surface integrity in milling of TiB2/2024 and TiB2/7075 Al composites

In-situ ceramics particle reinforced aluminum matrix composites are favored in the aerospace industry due to excellent properties. However, the hard ceramic particles as the reinforcement phase bring challenges to machining. To study the effect of in-situ TiB₂ particles on machinability and surface integrity of TiB₂/2024 composite and TiB₂/7075 composite, milling experiments were performed, and compared with conventional 2024 and 7075 aluminum alloys. In-situ TiB₂ particles clustered at the grain boundaries and dispersed inside the matrix alloy grains hinder the dislocation movement of the matrix alloy. Therefore, the milling force and temperature of the composites are higher than those of the aluminum alloys due to the increase of the strength and the decrease of the plasticity. In the milling of composites, abrasive wear is the main wear form of carbide tools, due to the scratching of hard nano-TiB₂ particles. The composites containing in-situ TiB₂ particles have machining defects such as smearing, micro-scratches, micro-pits and tail on the machined surface. However, in-situ TiB₂ particles impede the plastic deformation of the composites, which greatly reduces cutting edge marks on the machined surface. Therefore, under the same milling parameters, the surface roughness of TiB₂/2024 composite and TiB₂/7075 composite is much less than that of 2024 and 7075 aluminum alloy respectively. Under the milling conditions of this experiment, the machined subsurface has no metamorphic layer, and the microhardness of the machined surface is almost the same as that of the material. Besides, compared with 2024 and 7075 aluminum alloy, machined surfaces of TiB₂/2024 composite and TiB₂/7075 composite both show tensile residual stress or low magnitude of compressive residual stress.     

基于等基因序列双重随机遗传算法的复合材料铺层优化

复合材料铺层优化中常用的各种遗传算法，较难同时综合考虑表面45°、分层比例、连续铺层数限制等复杂工程约束问题，基于此，提出一种针对复合材料层压板的等基因序列双重随机遗传算法，在交换和突变算子中引入双重随机算法以保证优化迭代中基因序列的严格相等，基于SABRE 软件实现该优化算法，并通过算例验证算法的正确性。结果表明：该算法可满足均衡性、对称性、表面45°、连续铺层数限制、铺层比例等复杂工程约束，有较高的可靠性与工程适用性。     

铝电解电容在湿热环境下的贮存可靠性

针对电子设备中的铝电解电容在贮存环境下的失效问题,通过对铝电解电容进行湿热贮存试验,考察了湿热环境引起的铝电解电容外观状态和电性能的变化,并对试验中出现的失效现象进行了分析.结果表明,铝电解电容在湿热环境下出现了引脚腐蚀和橡胶塞长霉的失效现象;环境温度对铝电解电容贮存可靠性有重要影响,温度超过40℃引脚腐蚀速度会大大加快.温度在30℃适宜霉菌生长,温度超过30℃后没有长霉现象.阳极箔上的阳极氧化膜被腐蚀是铝电解电容在湿热环境下出现电容量和漏电流增大的原因.