碳纖維復(fù)合材料雷擊研究進(jìn)展
編輯：2021-06-14 18:21:02
雷電、閃電、雷擊，都是自然界中的一種巨大能量釋放的過程，它的能量既體現(xiàn)在超高電壓上，又體現(xiàn)在超高電流上，還體現(xiàn)在電壓電流的快速變化上。雷電的電壓最高可以達(dá)到億伏以上的能量等級，而電流峰值達(dá)到200kA以上的雷電可占發(fā)生總數(shù)的 1/50。 山西避雷塔
統(tǒng)計(jì)表明，一架固定航線的飛機(jī)，平均每年要遭到一次雷擊。一架軍用飛機(jī)，在其壽命周期內(nèi)，平均要遭到兩次雷擊。迄今為止，已有很多架飛機(jī)遭受雷擊，并且造成了機(jī)毀人亡的事故，這些雷擊事故嚴(yán)重影響著航空航天的安全。
為了減輕飛機(jī)重量，飛機(jī)設(shè)計(jì)公司對復(fù)合材料(CFRP，玻璃纖維等等)的需求與日俱增。在大量使用復(fù)合材料的同時(shí)也增大了其不利的安全隱患，其中最大的一個(gè)原因是復(fù)合材料不具備良好的導(dǎo)電性，當(dāng)遇到雷電的攻擊時(shí)，在機(jī)身通過的最高電流高達(dá)200kA，巨大的電流通過復(fù)合材料會引起燃燒并破壞復(fù)合材料結(jié)構(gòu)使其破裂或分層，以致給飛機(jī)帶來災(zāi)難性的危害，影響飛行安全。所以，在飛機(jī)防雷設(shè)計(jì)中需要在可能的雷擊附著點(diǎn)和雷電流出口點(diǎn)之間設(shè)計(jì)充分的雷電流通路，以雷電流通過飛機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)，不會引起災(zāi)難性損傷，這是飛機(jī)防雷保護(hù)的最基本原則。 山西避雷器
鋁材一直作為過去60年來的飛機(jī)和航天建設(shè)中所用材料的主要原料，因?yàn)閺?fù)合材料電流傳導(dǎo)性是相對低的，對雷擊保護(hù)的常規(guī)方法是在復(fù)合材料上增加導(dǎo)電性材料(涂層、箔，延長箔,等鋁制材料)。金屬涂層的使用勢必會增加直升機(jī)整體重量。隨著構(gòu)建更高效的飛機(jī)越來越大的需求，制造商正在設(shè)計(jì)出更多基于輕質(zhì)復(fù)合材料的組件。目前的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)包括發(fā)動機(jī)艙，襟翼，翼尖，甚至直升機(jī)和風(fēng)力渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片。然而，復(fù)合材料并不是電的良導(dǎo)體。如果沒有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，他們很容易受到雷擊并造成嚴(yán)重?fù)p害。
目前將鋁和銅的微型電網(wǎng)材料納入到這些復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的表面，使得能夠快速消散組件的表面雷擊能量，以防止損害到微型電網(wǎng)下面的復(fù)合材料。精密微型金屬網(wǎng)格是復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的防雷擊保護(hù)的首選材料。全球大部分航空公司如波音、巴西航空工業(yè)公司等都會選擇精密微型金屬網(wǎng)格作為其防雷擊保護(hù)的首選材料。飛機(jī)制造商正迅速地意識到微型金屬網(wǎng)格材料的選擇對于提高飛機(jī)整體性能和防雷安全的優(yōu)越性。運(yùn)城防雷檢測
金屬微網(wǎng)結(jié)構(gòu) 復(fù)合材料防雷微網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)
在計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，電磁工程師廣泛地借助于計(jì)算機(jī)和軟件來進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。大多數(shù)電磁問題雖然最終可歸結(jié)到求解某類強(qiáng)制邊界條件的偏微分方程（組），但是很少實(shí)際問題可以離開計(jì)算機(jī)得到解決。在過去的許多年里，電磁計(jì)算方法有了長足的發(fā)展，這主要得益于新的高效精確算法的不斷涌現(xiàn)和計(jì)算機(jī)硬件的快速發(fā)展。這門學(xué)科吸引了無數(shù)數(shù)學(xué)家、工程師、物理學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家們的注意力，促成了數(shù)學(xué)、物理與計(jì)算機(jī)等眾多學(xué)科的聯(lián)姻。計(jì)算電磁學(xué)已應(yīng)用到高壓設(shè)計(jì)、浪涌電流分析、雷電分區(qū)分析、復(fù)合材料分層結(jié)構(gòu)分析等領(lǐng)域。太原防雷公司
2.1 試驗(yàn)研究
無防護(hù)CFRP雷擊損傷試驗(yàn)研究已開展多年，并取得豐富研究成果。
Hirano等[1]通過雷擊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的雷擊損傷模式主要有纖維斷裂、基體破壞和分層三種形式。Feraboli等[2]通過對含不銹鋼緊固件的CFRP樣件進(jìn)行雷擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)緊固件的存在會對試樣的損傷狀態(tài)產(chǎn)生顯著影響。Li等[3]通過超聲波掃描和電鏡等觀測手段研究CFRP鋪層方向和鋪層順序?qū)讚魮p傷的影響，試驗(yàn)結(jié)果表面損傷受鋪層方式影響較大。Hirano等[1]、Feraboli等[2]、Ogasawara等[4]發(fā)現(xiàn)CFRP雷擊損傷面積和雷電流作用積分線性相關(guān)度較高。
對于有防雷金屬網(wǎng)防護(hù)的CFRP的雷擊損傷，肖堯等[5]發(fā)現(xiàn)0.25mm厚銅網(wǎng)在試驗(yàn)所加雷電流強(qiáng)度下位于1A區(qū)?2A區(qū)及1B區(qū)的含防護(hù)和無防護(hù)試件相比，雷擊損傷程度較后者分別下降88.9%?53.9%和68.7%。Kawakami和Feraboli[6]發(fā)現(xiàn)遭受雷擊后的金屬網(wǎng)，如經(jīng)過良好修復(fù)，仍能達(dá)到較優(yōu)的防護(hù)效果。呂梁避雷檢測
綜上，仿真研究過程中應(yīng)重點(diǎn)考慮：
造成纖維斷裂、基體破壞和分層等主要損傷模式的物理因素。
CFRP各向異性特性。
特定工藝情況對損傷影響，例如緊固件結(jié)構(gòu)和搭接結(jié)構(gòu)等等。
作用積分較高的雷電流波形。
2.2 仿真研究
雷電流的直接效應(yīng)對復(fù)合材料的影響是電、熱、力等幾種效應(yīng)綜合作用的結(jié)果，為了在前期設(shè)計(jì)優(yōu)化階段，預(yù)測CFRP在遭受雷擊過程中可能引起的各類損傷形式，國內(nèi)外自2010年起針對CFRP雷擊損傷數(shù)值仿真分析展開了眾多研究。目前研究方向主要為以下幾點(diǎn)。朔州防雷檢測
2.2.1 熱效應(yīng)
CFRP復(fù)合材料的導(dǎo)電性能較差，無防護(hù)的CFRP結(jié)構(gòu)遭受雷擊時(shí)，注入飛機(jī)復(fù)合材料表面的雷電流很難在短時(shí)間內(nèi)泄放，這將在復(fù)合材料表面產(chǎn)生巨大的焦耳熱。
Ogasawara等[4]于2010年首次進(jìn)行模擬CFRP復(fù)合材料雷擊損傷過程的電-熱耦合分析，考慮材料溫度依賴特性、熱分解、熱應(yīng)力、分層和電擊穿等多種因素，以溫度場作為判據(jù)預(yù)測CFRP雷擊損傷，為后續(xù)的雷擊損傷仿真模擬奠定基礎(chǔ)。 晉中避雷檢測
Mu?oz等[7]、姚雪玲等[8]、付尚琛等[9]、王富生等[10]、張紀(jì)奎等[11]和丁寧等[12]均使用電-熱耦合方法分析雷電流參數(shù)對于CFRP雷擊損傷的影響。
Abdelal等[13]在仿真中進(jìn)一步模擬材料熱分解和升華過程。郭云力的博士論文[14]建立電-熱耦合并加入熱解動力學(xué)模型評估雷擊損傷，發(fā)現(xiàn)使用溫度場評估CFRP材料雷擊過程面內(nèi)損傷時(shí)與試驗(yàn)結(jié)果的吻合度較高。
目前的研究結(jié)果表明，對碳纖維復(fù)合材料造成損傷的主要因素是雷電流焦耳熱效應(yīng)[8]。臨汾防雷檢測
2.2.2 力效應(yīng)
雷電過程的力效應(yīng)主要包括熱應(yīng)力、沖擊波和電磁力。
2.2.2.1 熱應(yīng)力
熱應(yīng)力起源于雷電的熱效應(yīng)。在CFRP復(fù)合材料的雷擊過程中，雷擊附著區(qū)域的高溫必然使該區(qū)域產(chǎn)生嚴(yán)重的熱膨脹，從而形成局部的熱應(yīng)力。董琪的博士論文[15]通過建立電熱-熱分解-力耦合模型，發(fā)現(xiàn)熱應(yīng)力主導(dǎo)復(fù)合材料雷擊過程中的表層鼓包和分層損傷。董琪[15]認(rèn)為CFRP復(fù)合材料在雷電載荷結(jié)束后的一定時(shí)間內(nèi)仍保持高溫，熱解損傷區(qū)域會進(jìn)一步擴(kuò)大，使得大部分力學(xué)損傷區(qū)域被熱解損傷區(qū)域覆蓋。長治避雷檢測
2.2.2.2 沖擊波
沖擊波是等離子體爆炸產(chǎn)生的高壓氣體沖擊引起，由于碳纖維復(fù)合材料具有較高的剛度和強(qiáng)度，沖擊波產(chǎn)生的損傷并不十分顯著。Foster等[16]建立了未考慮雷擊效應(yīng)的沖擊壓力動力學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)由沖擊壓力引起的損傷面積大約占實(shí)驗(yàn)測得損傷面積的1%,對雷擊損傷的貢獻(xiàn)很小。 陽泉防雷檢測
2.2.3 電磁效應(yīng)
雷電電磁環(huán)境會使載流CFRP結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電磁力，其本質(zhì)為洛倫茲力。劉志強(qiáng)的博士論文[17]發(fā)現(xiàn)，電磁力引起的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)響應(yīng)相對于復(fù)合材料力學(xué)性能十分微弱，不至于引起復(fù)合材料損傷。對遠(yuǎn)離雷電流附著區(qū)域的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響很小，甚至可以忽略。
2.2.4 電介質(zhì)擊穿
如果結(jié)構(gòu)某處的電場強(qiáng)度值超過該處的擊穿場強(qiáng)，則會發(fā)生電擊穿現(xiàn)象，被擊穿的非導(dǎo)電介質(zhì)會變?yōu)閷?dǎo)電通路中的一部分。Wang Y[18]認(rèn)為在熱學(xué)和力學(xué)分析之前應(yīng)分析結(jié)構(gòu)的電擊穿性能，如果材料會發(fā)生擊穿，則會即時(shí)形成貫穿式損傷，有可能改變雷電流傳導(dǎo)路徑。Wang Y[18]亦承認(rèn)尚未在文獻(xiàn)中搜集到此類損傷類型的分析研究。 晉城防雷檢測
2.3 小結(jié)
綜合國內(nèi)外仿真研究結(jié)果，可得出以下結(jié)論：
電-熱耦合是主流的CFRP雷擊損傷研究方法。后續(xù)研究多以此為基礎(chǔ)開展。
雷擊損傷主要由熱效應(yīng)主導(dǎo)，熱效應(yīng)嚴(yán)重時(shí)會引發(fā)熱燒蝕、熱應(yīng)力。
CFRP遭受雷擊后的面內(nèi)損傷主要由熱效應(yīng)造成，可以使用溫度場作為判據(jù)。
CFRP遭受雷擊后的厚度損傷較為復(fù)雜，包括燒蝕和分層等現(xiàn)象，由熱效應(yīng)和力效應(yīng)共同造成，需要根據(jù)實(shí)際工況具體考慮。
沖擊波和電磁力對于CFRP雷擊損傷貢獻(xiàn)較小。大同防雷檢測
國內(nèi)外的仿真研究主要集中于無防護(hù)CFRP結(jié)構(gòu)的雷擊損傷，而對于擁有防雷措施的CFRP雷擊損傷仿真研究較少。
雷擊損傷主要由電-熱耦合效應(yīng)主導(dǎo)，受雷電流分布的影響極大。帶防雷措施的CFRP結(jié)構(gòu)遭受雷擊時(shí)，防雷措施會泄放掉絕大部分的雷電流，如圖4。雷擊的電熱效應(yīng)主要由防雷措施承受。此時(shí)研究重點(diǎn)應(yīng)著眼于防雷措施的通流能力，同時(shí)應(yīng)重新評估各類研究因素對于雷擊損傷的影響。朔州避雷檢測
鋪設(shè)防雷金屬網(wǎng)的CFRP仿真建模
鋪設(shè)防雷金屬網(wǎng)的CFRP結(jié)構(gòu)注入200kA雷電流時(shí)的電流比例
