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。     

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。     

含铜网复合材料雷电流直接效应实验研究

为了研究铜网防护层对复合材料的雷击防护效果,采用两种不同雷电流波形,对不同尺寸含铜网(0.25 mm厚)与无铜网防护复合材料试件进行模拟雷电流冲击实验,通过目视损伤观察、光学显微镜放大、超声损伤扫描,对比分析复合材料的雷击损伤程度及特征。结果表明:雷电流波形1,峰值电流分别为50 k A和80 k A时,Type1(150 mm×100 mm)型试件无铜网防护下复合材料的雷击损伤面积和深度分别为1785 mm~2,0.63 mm和3041 mm~2,0.96 mm,而含铜网防护试件基本无损伤;雷电流波形2,峰值电流为40 k A时,Type 2(250 mm×45 mm)型试件无铜网防护下的雷击损伤面积和深度分别为2156.75 mm~2,0.36 mm,而含铜网防护试件损伤面积小于100 mm~2,里层还未损伤;0.25 mm铜网能够承受的最大雷电流强度存在一个门槛值,该门槛值可用作用积分来表示,雷击防护效果与试件尺寸无关,仅与作用积分有关,其对应作用积分门槛值约为85218 A~2·s。     

复合材料电导率对雷击烧蚀损伤程度的影响

根据雷击过程中能量转换关系,建立基于热-电耦合的复合材料雷击烧蚀损伤分析模型,该模型考虑了复合材料电导率随热解度的变化。通过该模型,对比复合材料三个方向电导率多个数量级变化后的雷击烧蚀损伤。结果表明:在相同雷电流参数下,复合材料沿不同方向的电导率变化对雷击烧蚀损伤影响程度不同;沿纤维方向电导率提升,表观损伤面积和损伤深度均下降;垂直于纤维方向电导率提升,表观损伤面积增加,损伤深度下降;沿厚度方向电导率提升,表观损伤面积下降,损伤深度增加;三个方向任一电导率提升,复合材料总体的损伤体积均下降,当各方向上的电导率分别提高1、2、3个数量级,损伤体积影响程度最大的是沿纤维方向变化,分别降低47.83%、75.08%和97.82%,沿厚度方向变化影响程度次之,分别降低36.25%、53.44%、65.54%,垂直于纤维方向影响程度最小,分别降低8.72%、12.58%和24.76%;提高复合材料电导率,能够对雷击防护起到明显作用,对于防雷击效果的全面评估需要二维损伤和三维损伤相结合。     

碳纤维复合材料雷电防护特性仿真及试验研究

为了研究不同防护方式下的碳纤维增强型复合材料(CFRP)层合板雷电损伤特性,针对无防护、喷铝涂层防护以及铜网防护的三种CFRP层合板注入D+B+C*雷电流组合波形,通过观察损伤区域、C扫描探测并结合电热耦合与电流密度分布仿真,研究不同防护方式下CFRP损伤特性.研究表明,CFRP损伤类型有树脂烧蚀、纤维断裂、分层等损伤...     

表面铜网结构CFRP铣削加工性能研究

表面铜网结构碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)作为防雷击材料在飞机制造等领域广泛应用,但铜网的加入对其加工性能产生一定的影响。通过铣削表面铜网结构CFRP试验探究了不同切削参数对铣削力和切口粗糙度的影响并观察分析了刀具的磨损形式,初步得到了其铣削加工性能评价。     

含紧固件层合板雷击烧蚀损伤分析

为了研究含紧固件复合材料层合板在雷击电流作用下的烧蚀损伤规律,基于热电耦合建立含紧固件层合板的雷击有限元分析模型,并对雷击烧蚀损伤结果进行分析,与参考结果对比验证模型的合理性,并分析得到含紧固件层合板在不同峰值电流、紧固件尺寸、层合板宽度比条件下的烧蚀损伤结果,总结不同因素影响下烧蚀损伤面积的变化规律。结果表明:雷击峰值电流、紧固件的尺寸、层合板的宽度对含紧固件层合板烧蚀损伤面积具有极大的影响,相同的雷击电流波形,峰值150 kA雷击电流导致的烧蚀损伤面积是峰值50 kA的15.39倍;紧固件越小,烧蚀损伤面积越大,分层损伤面积越大,其中,当紧固件直径减小至1/2时,烧蚀损伤面积最大可增加4.97倍,分层损伤面积最大可增加1.91倍;层合板损伤面积随宽度的增加先增大后减小,最后趋于平稳,其中最大损伤面积与最小损伤面积的比值可达1.81倍,且比值随着紧固件直径的增加而增大。     

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。     

阻燃环氧树脂复合材料烟密度影响因素

采用阻燃改性环氧树脂为基体、玻璃纤维布为增强体的预浸料,制备层压板复合材料,研究环氧复合材料烟密度的影响因素.结果表明,复合材料烟密度与树脂含量、溴锑协效阻燃体系以及基体环氧树脂的固化剂和环氧值相关.     

阻燃增韧环氧树脂及其复合材料性能研究

采用溶液预浸渍技术制备了一种玻璃纤维布增强改性环氧树脂预浸料.通过对预浸料经热压罐成型制备的复合材料层压板进行相关性能测试.结果表明,复合材料具有良好的力学性能以及阻燃性能.证明了增韧和阻燃剂的引入大大地提高了该树脂基体以及复合材料的力学、耐热性和阻燃性能,并且表明了改性环氧/玻璃纤维预浸料具有良好的物理和工艺性能,促进了树脂基体与纤维间的界面结合,从而进一步提高了复合材料的力学和阻燃性能.此外,该复合材料还表现出良好的介电性能.     

CFRP层合板雷击烧蚀损伤模拟的电流加载方式分析

通过改进加载方式减小数值模拟与试验结果误差对于提高仿真准确性具有一定意义。本文探究复合材料层合板在不同形式雷击电流下的烧蚀损伤特性，改进Braginskii 电弧半径扩展公式，建立适用于雷击过程的电弧扩展半径数值模型；基于ABAQUS 建立CFRP 层合板有限元模型，分析不同电流加载方式下的烧蚀损伤情况。结果表明：建立的有限元模型能够模拟CFRP 层合板雷击烧蚀损伤；扩展移动加载造成的损伤面积、损伤深度和损伤体积与试验结果对比误差均约为7%，较其他加载方式仿真结果与试验结果对比具有良好的一致性，模拟复合材料雷击烧蚀损伤时应同时考虑电流扩展和移动的影响。     

Carbon nanotube protected composite laminate subjected to lightning strike: Interlaminar film distribution investigation

A kind of interlaminar film with carbon nanotubes inserted into polyether ketone with cardo was used for lightning strike protection of composite laminates. The distribution of the interlaminar film was investigated by experimental and numerical methods. Artificial lightning strike tests were conducted for 12-film carbon nanotube and traditional surface silver coating protected specimens. Then corresponding finite element models (FEMs) were established to analyze the lightning strike effect and validated by the experimental results. Based on the FEMs, the number, distribution and thickness of interlaminar film were investigated in order to obtain equivalent protection effect with the traditional surface silver coating. The results show that only the first two layers were damaged for the surface silver coating protected specimen, while 5 layers were ablated for the 12-film protected specimen. Lightning strike damage area of the laminate protected with 5-film carbon nanotube is almost the same as that of the laminate protected with 12-film carbon nanotube. Compared with traditional surface silver coating protection, one film protection with thickness of 360 μm can make the laminate to obtain equivalent damage depth, 54.8% smaller damage area and 58% less additional weight. And reparability of the laminate is better than that of the laminate protected with 5 interlaminar films.     

CFRP层板的落重冲击分层损伤研究

采用落重冲击试验方法研究了航空上常用的铺层形式为［Ｏ２／９Ｏ２／４５２／－４５２］ｓ的先进复合材料（ＣＦＲＰ）低能冲击损伤问题。重点讨论了落重冲击后分层损伤形貌、冲击能量Ｗ与分层面积Ａ之间的关系以及基体韧性对ＣＦＲＰ抗冲击性能影响。     

Z-pin增强树脂基复合材料单搭接接头抗冲击性能

为了研究Z-pin增强树脂基复合材料接头的抗冲击性能,制备了Z-pin增强单搭接接头冲击试样。对比不同树脂体系Z-pin/层合板界面裂纹扩展,分别通过Z-pin拔脱试验和接头剪切试验研究Z-pin冲击后拔脱强度和单搭接接头冲击后剪切强度;结合有限元模拟和超声C扫描研究搭接面分层损伤情况。结果表明,相同冲击能量下,环氧Z-pin/环氧层合板界面抗冲击性更强,冲击能量越大,裂纹扩展越显著;Z-pin增强树脂基复合材料显著减小分层损伤面积,提高冲击后剪切强度,体积分数为1.5%、直径为0.5mm的Z-pin增强层合板分层损伤面积仅为40%,冲击后剪切强度的下降率仅为24.89%。随着Z-pin体积分数增加,搭接面损伤面积逐渐减小,冲击后剪切强度先增加后降低;随着Z-pin直径增加,层间损伤面积增加,冲击后剪切强度逐渐降低。Z-pin增强接头分层损伤模型模拟结果与试验结果基本吻合。      

压-压疲劳载荷下CFRP层合板表面红外辐射特征

为探究含冲击损伤CFRP层合板在循环交变载荷下的损伤演化规律,基于热力耦合效应研究了含损伤CFRP层合板疲劳过程中的表面红外辐射特征。以压-压疲劳试验模拟交变载荷,采用红外热成像方法分析了疲劳过程中含损伤CFRP层合板的热图序列和温度数据,结果表明：随着疲劳次数的增加,损伤沿垂直疲劳载荷方向演化,热斑颜色逐渐加深,初始冲击损伤形状逐渐演化为椭圆状,最后热斑横向端部出现"尖点";试件最大表面温差演化整体呈"快速上升-缓慢上升-快速上升"规律,最后出现跳升,其中热斑尖点、最大表面温差跳升可被视为结构疲劳破坏的前兆;含损伤CFRP层合板疲劳破坏时,其最大表面温差主要与纤维和基体种类有关,而试件铺层方式相较于纤维基体类别对最大表面温差无明显影响。研究揭示了冲击后CFRP层合板在疲劳载荷作用下的损伤演化规律,为飞行器复合材料结构的剩余疲劳寿命评估与损伤容限设计奠定了基础。     

基于数值仿真的飞机雷电流传导通路评估方法

飞行器的雷电防护设计和验证是保障飞行员及飞机安全的必要措施,尤其是随着雷电防护能力较差的复合材料广泛应用。复合材料对雷电流的传导能力远弱于金属,需要为雷电流传导提供额外的通路。本文从国内相关研究极少提及的飞机内部结构电磁建模出发,提出一套飞机内部结构的电磁建模及精度控制方法;构建 F22 飞机左机翼到右机翼的内部金属结构作为雷电流传导通路,基于通用电磁仿真软件进行飞机雷电间接效应仿真;对复合材料蒙皮、金属网蒙皮、金属网蒙皮加内部金属结构三种情况下飞机内部的电磁场及线缆耦合仿真结果进行对比。结果表明:合理的雷电流传导通路设计能够使飞机内部线缆感应的电流强度减半,起到良好的雷电防护效果;该评估方法适用于固定翼飞机的雷电流传导通路设计,能够作为飞机机载设备雷电间接效应试验指标分配的参考依据,便于定位飞机雷电间接效应防护的薄弱环节。     

Effects of surface topography and specimen thickness on high-speed raindrop impact damage of CFRP laminates

Raindrop impact erosion has been observed since early days of aviation, and can be catastrophic for exposed materials during supersonic flight. A single impact waterjet apparatus is established for mimicking drop impacts at the velocities between 350 m/s and 620 m/s. Carbon Fiber Reinforced Polymer(CFRP) laminates with three different surface morphologies and specimen thicknesses are tested here. A central region with no visible damage has been noticed, surrounded by a “failure ring” with common...     

基于热力耦合层合板雷击损伤特性分析

为研究复合材料层合板在雷电流作用下的烧蚀损伤力学特性,建立复合材料雷击热力耦合有限元分析模型,与文献实验结果对比验证模型的有效性。根据Hashin三维失效准则编写用户材料子程序,分别得出层合板雷击烧蚀区域周围出现的力学损伤、各层力学损伤分布以及首层在不同方向上的应力分布,分析得出层合板的烧蚀损伤随雷电流持续时间的变化规律。结果表明:由于存在较高的温度梯度,导致层合板出现较大的热膨胀应力,进而导致层合板内部产生各种力学损伤,即基体开裂、分层及纤维断裂;雷击电流施加时间、峰值电流与温度场均对层合板烧蚀面积产生较大的影响。