碳纖維復(fù)合材料雷電防護(hù)特性仿真及試驗(yàn)研究

胡靜 鞏翰林 司曉亮 孫斌

摘要：為了研究不同防護(hù)方式下的碳纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料（CFRP）層合板雷電損傷特性，針對(duì)無(wú)防護(hù)、噴鋁涂層防護(hù)以及銅網(wǎng)防護(hù)的三種CFRP層合板注入D+B+C*雷電流組合波形，通過(guò)觀察損傷區(qū)域、C掃描探測(cè)并結(jié)合電熱耦合與電流密度分布仿真，研究不同防護(hù)方式下CFRP損傷特性。研究表明，CFRP損傷類型有樹脂燒蝕、纖維斷裂、分層等損傷形式。在注入組合波形后，無(wú)防護(hù)層合板損傷沿纖維方向，噴鋁涂層防護(hù)層合板損傷呈近似圓形，銅網(wǎng)防護(hù)層合板損傷呈近似菱形，且噴鋁涂層對(duì)CFRP的雷電防護(hù)效果最好，損傷面積為844.02mm2，損傷深度為0.43mm。電流密度的分布與損傷區(qū)域有很強(qiáng)的相關(guān)性，上層電流密度會(huì)影響下層鋪層溫度拓展。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；雷電流注入試驗(yàn)；防護(hù)方式；電熱耦合；電流密度

中圖分類號(hào)：V258文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.01.012

基金項(xiàng)目：航空科學(xué)基金（20184467016）

復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)，近年來(lái)相關(guān)研究工作主要圍繞飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的疲勞、沖擊損傷以及損傷監(jiān)測(cè)等問(wèn)題，已經(jīng)逐步發(fā)展出一系列應(yīng)對(duì)和控制方法[1-4]。隨著飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料占比越來(lái)越多，飛機(jī)在飛行中遭受雷擊時(shí)，由于碳纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料具有低電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)的特點(diǎn)，遭受雷擊后會(huì)發(fā)生樹脂燒蝕、纖維斷裂、分層等破壞現(xiàn)象，因此針對(duì)其雷擊防護(hù)的研究具有科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景[5]。

SAE ARP5412[6]標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了雷電流直接效應(yīng)的4種雷波形?？紤]到飛機(jī)遭遇雷擊后不同部位或結(jié)構(gòu)的雷擊強(qiáng)度不同，將機(jī)體劃分為不同的區(qū)域，給出不同機(jī)體區(qū)域?qū)?yīng)的雷電流組合波形[7]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)碳纖維復(fù)合材料雷擊損傷做了很多研究。Li等[8]使用不同鋪層方式層合板進(jìn)行不同雷電流波形的雷擊試驗(yàn)，研究結(jié)果表明隨著雷電流峰值增大損傷區(qū)域主要沿纖維方向拓展，并且層合板的鋪層方式對(duì)損傷有很大影響。孫晉茹等[9]選擇不同雷電流組合方式，研究雷電流分量對(duì)層合板損傷的影響，研究發(fā)現(xiàn)雷電流分量施加順序是影響層合板損傷的重要因素。丁寧等[10]等也利用有限元分析雷擊后碳纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料（CFRP）層合板溫度分布，研究發(fā)現(xiàn)鋪層方式、樹脂類型、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、雷電流峰值等因素都會(huì)影響CFRP層合板的損傷形式。對(duì)于CFRP層合板的雷擊防護(hù)肖堯等[11]利用銀粉改性等方式提高層合板雷擊防護(hù)能力。郭云力[12]研究流新型鍍鎳碳纖維無(wú)紡布在雷電波形C和D分量下的雷擊損傷，結(jié)果表明鍍鎳碳纖維無(wú)紡布的防雷效果優(yōu)于銅網(wǎng)。

在目前應(yīng)用的CFRP雷擊防護(hù)材料中，銅網(wǎng)、噴鋁涂層在未來(lái)有著更廣闊的應(yīng)用前景。但是CFRP使用金屬進(jìn)行雷擊防護(hù)不可避免地伴隨著結(jié)構(gòu)增重的問(wèn)題，因此針對(duì)不同防護(hù)方式下CFRP的雷電損傷特性研究具有迫切需求。本文選擇2A區(qū)雷電流組合波形D+B+C*對(duì)無(wú)防護(hù)、銅網(wǎng)防護(hù)以及噴鋁涂層防護(hù)的CFRP層合板進(jìn)行雷電流注入試驗(yàn)，觀察雷擊后損傷區(qū)域，通過(guò)損傷區(qū)域、C掃描圖像、電熱耦合仿真結(jié)果的比對(duì)，分析了雷電流組合波形D+B+C*作用下不同防護(hù)方式的雷電防護(hù)性能。最后，比較不同防護(hù)方式下電流分布與電熱耦合，分析電流密度對(duì)損傷的影響。研究結(jié)果對(duì)CFRP的雷擊防護(hù)有著重要參考和應(yīng)用價(jià)值，能夠?yàn)閺?fù)合材料雷電防護(hù)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)依據(jù)。

1復(fù)合材料層合板雷電防護(hù)試驗(yàn)研究

1.1試驗(yàn)件與試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)件的型號(hào)為QY9611/ZT7H，尺寸為300mm×300mm，碳纖維復(fù)合材料層合板的鋪層順序選取[45°/0°/-45°/90°/45°/0°/-45°/90°/45°/0°/-45°/90°]，共12層，每層厚度為0.128mm。通過(guò)無(wú)防護(hù)、噴鋁涂層防護(hù)和銅網(wǎng)防護(hù)三種層合板研究雷電流對(duì)層合板的損傷。噴鋁涂層和銅網(wǎng)防護(hù)CFRP層合板試樣如圖1所示。噴鋁涂層防護(hù)層合板如圖1（a）所示，鋁層厚度為0.05mm，銅網(wǎng)防護(hù)層合板如圖1（b）所示，銅網(wǎng)厚度為0.05mm，長(zhǎng)截距為2.54mm，短截距為1.23mm，面積重量為73g/m2，形狀參數(shù)如圖2所示。

試驗(yàn)中使用能量產(chǎn)生符合標(biāo)準(zhǔn)要求波形的雷電流發(fā)生器系統(tǒng)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備還有用來(lái)采集雷電流數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄試驗(yàn)連接線路和試驗(yàn)件在雷擊試驗(yàn)前后狀況的參數(shù)采集系統(tǒng)，具體試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)表1。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1試驗(yàn)件夾持裝置

試驗(yàn)件夾持裝置如圖4所示，上電極為直徑50mm的銅質(zhì)球狀放電電極，根據(jù)SAE ARP 5414A[7]試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定將電極與試件間隔調(diào)整為50mm，試件四邊使用金屬壓板和夾具固定通過(guò)鋁條將金屬壓板連接統(tǒng)一接地，試件放置在有絕緣材料的試驗(yàn)臺(tái)上，試驗(yàn)時(shí)雷擊點(diǎn)選擇試驗(yàn)件表面中心點(diǎn)。

1.2.2試驗(yàn)波形

進(jìn)行雷電流注入試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)SAE ARP5414A[7]標(biāo)準(zhǔn)中劃分的飛機(jī)雷電分區(qū)，所處不同分區(qū)的碳纖維材料或者結(jié)構(gòu)件選擇不同的雷電波形。不同雷電分區(qū)的雷電流波形見(jiàn)表2。

根據(jù)SAE ARP 5416A[13]標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗(yàn)流程以及方法選擇D+B+C*的組合波形對(duì)三種層合板進(jìn)行雷電流注入試驗(yàn)，雷電流注入試驗(yàn)完成后對(duì)試件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)研究不同防護(hù)方式下碳纖維復(fù)合材料的損傷特性。D+B+C*的組合波形圖如圖5所示。

1.3試驗(yàn)結(jié)果分析

1.3.1層合板損傷分析

對(duì)無(wú)防護(hù)、銅網(wǎng)防護(hù)以及噴鋁涂層防護(hù)層合板注入雷電組合波形D+B+C*后損傷狀況和C掃描圖像如圖6所示。

從圖6中三種試件注入D+B+C*波的雷擊后損傷形態(tài)和C掃圖像可以看出：（1）在雷電組合波形的作用下，無(wú)防護(hù)的試件出現(xiàn)明顯的分層損傷現(xiàn)象，如圖6（a）所示，損傷區(qū)域發(fā)生樹脂燒蝕，中間碳纖維為散亂的毛發(fā)狀暴露在空氣中，在雷電流注入點(diǎn)位置沿表層鋪層方向（45°方向）纖維出現(xiàn)明顯的膨脹斷裂，損傷沿垂直纖維方向（-45°方向）逐漸減少，對(duì)比C掃圖像來(lái)看兩者損傷形貌相似。（2）試件銅網(wǎng)防護(hù)的層合板部分銅網(wǎng)被組合雷電流燒蝕損傷，如圖6（b）所示，但碳纖維層合板的鋪層結(jié)構(gòu)完整。對(duì)比C掃圖像來(lái)看，金屬銅網(wǎng)的損傷形態(tài)近似成菱形，這是因?yàn)殂~網(wǎng)形狀為規(guī)則的菱形網(wǎng)格，長(zhǎng)邊和短邊的分布使得防護(hù)層在水平上呈現(xiàn)出各向異性，因而損傷形狀近似為菱形。（3）對(duì)于試件噴鋁涂層防護(hù)的層合板，因?yàn)殇X是各向同性的材料，如圖6（c）所示，在各個(gè)方向上電導(dǎo)率相等，所以其損傷形狀近似為圓形。由于鋁材的電導(dǎo)率遠(yuǎn)高于CFRP層合板，所以在組合雷電流注入后會(huì)被高電導(dǎo)率的鋁層迅速傳導(dǎo)，對(duì)層合板的損傷較少。層合板也并未明顯發(fā)生沿纖維方向的損傷拓展。

1.3.2層合板損傷面積和損傷深度

使用像素分析法對(duì)無(wú)損檢測(cè)圖像進(jìn)行分析，可以得到不同層合板各層的損傷面積和損傷深度，以此對(duì)比組合雷電流對(duì)層合板的損傷。

從圖7各層損傷面積和圖8損傷深度可以看出：（1）對(duì)于三種不同層合板注入D+B+C*組合雷電流波形時(shí)，噴鋁涂層的損傷面積、損傷深度最小、銅網(wǎng)次之，表明噴鋁涂層對(duì)CFRP層合板的保護(hù)較好。（2）由圖7可知，銅網(wǎng)防護(hù)的層合板金屬防護(hù)層損傷面積為1689.53mm2，第一層層合板損傷面積為943.45mm2，損傷面積減少了746.08mm2，約為44%；噴鋁涂層防護(hù)的層合板金屬防護(hù)層損傷面積為844.02mm2，第一層層合板損傷面積為442.26mm2，損傷面積減少了401.76mm2，約為48%。（3）由圖8可知，對(duì)于損傷深度來(lái)說(shuō)，無(wú)防護(hù)的CFRP層合板損傷深度達(dá)到第9層（1.09mm）；銅網(wǎng)防護(hù)的CFRP層合板損傷深度達(dá)到第5層（0.78mm）；而對(duì)于噴鋁涂層的CFRP層合板損傷深度達(dá)到第三層（0.43mm）。

對(duì)于金屬銅網(wǎng)和噴鋁涂層防護(hù)的CFRP層合板，在損傷深度和各層損傷面積上，噴鋁涂層防護(hù)效果優(yōu)于金屬銅網(wǎng)。雖然金屬銅的電導(dǎo)率高于金屬鋁的電導(dǎo)率，但是銅網(wǎng)存在大量空隙，單位面積防護(hù)層熔化、升華鋁層會(huì)吸收更多的熱量。

2復(fù)合材料層合板雷電防護(hù)仿真研究

2.1數(shù)值分析方法

雷電流注入時(shí)，CFRP層合板中的電場(chǎng)由Maxwell方程表征，積分表達(dá)式為：

雷電流組合波形在模型上表面中心點(diǎn)注入，定義復(fù)合材料、銅和鋁材料屬性[14]，仿真邊界條件設(shè)置如圖9所示。

2.3仿真結(jié)果分析

2.3.1電熱耦合分析結(jié)果

對(duì)無(wú)防護(hù)CFRP層合板注入D+B+C*雷電流組合波形，各層溫度分布如圖10所示。CFRP層合板雷電流注入后溫度的分布與電流和電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率的正交各向異性相關(guān)。表層溫度分布沿45°纖維方向呈中間窄、兩端較寬的條帶狀分布。第2～6層溫度場(chǎng)呈面積逐漸減少的橢圓形，并且橢圓的方向與上一層纖維方向有相關(guān)性；第7層可以看出溫度高于3000℃的紅色區(qū)域以中心對(duì)稱的近似圓形出現(xiàn)，隨后變?yōu)橹行膶?duì)稱的半圓形，最后形成橢圓形。

雷擊后的無(wú)防護(hù)CFRP層合板C掃描圖像溫度場(chǎng)分布比圖6第1層損傷面積要大，這是因?yàn)槔纂娏髯⑷胧嵌辔锢韴?chǎng)耦合的結(jié)果，試驗(yàn)中除焦耳熱之外還有沖擊力影響。

由仿真各層溫度場(chǎng)分布與C掃描結(jié)果對(duì)比觀察到，各層溫度發(fā)展方向與C描掃結(jié)果損傷拓展趨勢(shì)一致且樹脂熱解（300～500℃）形狀都呈橢圓形分布，這也表明了仿真結(jié)果的有效性。

噴鋁涂層防護(hù)的CFRP層合板電熱耦合仿真分析結(jié)果如圖11所示。在損傷的范圍與形狀上，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，圖中紅色部分溫度高于2467℃，鋁層在此發(fā)生汽化，帶走大部分熱量，而剩余的熱量會(huì)向下傳遞到層合板上。噴涂鋁層的損傷為近似的圓形，這主要因?yàn)殇X為各相同性的材料，雷電流在注入過(guò)程中，均勻向四周擴(kuò)散。

銅網(wǎng)防護(hù)的CFRP層合板電熱耦合分析結(jié)果如圖12所示。銅網(wǎng)防護(hù)的CFRP層合板沒(méi)有完全顯示溫度分布，但是銅網(wǎng)上的溫度分布有高度對(duì)稱性，損傷近似為菱形；隨著層數(shù)的增加溫度分布也完全呈現(xiàn)出來(lái)，損傷形狀逐漸趨向菱形。

由于銅網(wǎng)網(wǎng)格為規(guī)則的菱形，其具有各向異性，雷電流注入到銅網(wǎng)后電流主要沿著菱形銅網(wǎng)的長(zhǎng)截距方向傳導(dǎo)，因此位于雷電2區(qū)的銅網(wǎng)防護(hù)層合板應(yīng)該將菱形銅網(wǎng)的長(zhǎng)截距方向調(diào)整為與雷電流導(dǎo)出方向一致。

由圖13可知，對(duì)無(wú)防護(hù)、銅網(wǎng)防護(hù)和噴鋁涂層防護(hù)的CFRP層合板注入D+B+C*雷電流組合波形后CFRP層合板損傷深度分別為0.906mm、0.702mm和0.326mm，即銅網(wǎng)和噴鋁涂層有著很好的雷擊防護(hù)效果。仿真的損傷深度與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，但是仿真的損傷深度略小于試驗(yàn)結(jié)果，這是因?yàn)閷?shí)際試驗(yàn)中CFRP層合板除了雷電流的焦耳熱效應(yīng)，還會(huì)受到其他沖擊效應(yīng)的影響。

2.3.2電流密度分析結(jié)果

注入的高峰值D波在3μs會(huì)達(dá)到峰值電流100kA，此時(shí)的無(wú)防護(hù)層合板各層電流密度模如圖14所示。

由于第1層上電流傳導(dǎo)不會(huì)受到其他鋪層的干擾，所以在3μs時(shí)刻下，電流的分布與首層纖維方向有很強(qiáng)的相關(guān)性，沿45°方向分布而且溫度場(chǎng)分布也沿45°方向。可以發(fā)現(xiàn)第5層電流密度高于其他層。這是因?yàn)樵诘?～4層發(fā)生纖維斷裂的破壞，使得雷電流向下傳遞，3μs時(shí)雷電流傳遞到第5層。

雷電流從纖維方向45°的第1層向下傳遞，傳導(dǎo)到第2層的纖維方向?yàn)?°，隨著第1層沿45°方向進(jìn)一步損傷，由第1層向第2層傳遞的電流呈45°方向，第2層的電流受到第1層的影響，電流密度分布在0°～45°之間。

對(duì)于3μs時(shí)刻銅網(wǎng)防護(hù)和噴鋁涂層防護(hù)溫度分布和電流密度如圖15所示。

由于噴鋁涂層是各向同性，所以電流在注入點(diǎn)處均勻傳遞，銅網(wǎng)為各向異性，在防護(hù)層上電流和溫度近似呈菱形分布。在3μs時(shí)，銅網(wǎng)和鋁層均達(dá)到升華溫度，但是由于損傷處的電導(dǎo)率小于防護(hù)層的電導(dǎo)率，所以電流依然會(huì)在防護(hù)層上傳遞。

3結(jié)論

通過(guò)研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）在雷電流組合波形D+B+C*組合電流的沖擊下，CFRP層合板出現(xiàn)樹脂燒蝕、分層、纖維斷裂等損傷，損傷沿纖維方向分布。

（2）當(dāng)使用噴鋁涂層和銅網(wǎng)防護(hù)時(shí)，層合板損傷會(huì)大大減少。銅網(wǎng)形狀為規(guī)則的菱形，在鋪層方向具有各向異性，而噴鋁涂層具有的各向同性電流均勻向四周拓展。相同厚度的鋁層和銅網(wǎng)，噴鋁涂層的防護(hù)性能更好，由鋁層到層合板，損傷面積減少達(dá)到48%，損傷厚度為0.43mm。銅網(wǎng)防護(hù)的層合板位于雷電1區(qū)和3區(qū)時(shí)，應(yīng)該將菱形銅網(wǎng)長(zhǎng)截距方向與雷電流導(dǎo)出方向一致。對(duì)于無(wú)防護(hù)、銅網(wǎng)防護(hù)和噴鋁涂層防護(hù)的CFRP層合板雷擊后的損傷深度，仿真結(jié)果略小于試驗(yàn)結(jié)果，具有較好的一致性。

（3）損傷趨勢(shì)與鋪層方向、CFRP復(fù)合材料各向異性材料屬性高度相關(guān)。在無(wú)防護(hù)層合板中，當(dāng)上一次碳纖維斷裂后電流進(jìn)入到下一層時(shí)，上一鋪層電流密度分布會(huì)影響到下一層的溫度拓展。噴鋁涂層和銅網(wǎng)防護(hù)的層合板，當(dāng)防護(hù)層溫度達(dá)到升華溫度時(shí)，周圍的電導(dǎo)率依然大于損傷區(qū)域電導(dǎo)率所以電流不會(huì)向無(wú)防護(hù)層合板第一層向下傳遞，會(huì)繼續(xù)在防護(hù)層上傳遞。

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Simulation and Experimental Research on Lightning Protection Characteristics of Carbon Fiber Composites

Hu Jing1，Gong Hanlin1，Si Xiaoliang2，Sun Bin1

1. Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China

2. Hefei Aerospace Electric Physics Technology Co.，Ltd.，Hefei 230031，China

Abstract： In order to study the lightning damage characteristics of Carbon Fiber Reinforced Plastics（CFRP） laminates under different protection modes， this paper focuses on the combined waveforms of D+B+C* lightning current injected into three CFRP laminates with no protection， aluminum spray coating protection and copper mesh protection. The damage characteristics of CFRP under different protection methods are studied by observing the damage area， C-scan detection， coupled with electrothermal coupling and current density distribution simulation. The results show that the damage types of CFRP include resin ablative， fiber fracture and lamination. After the composite waveforms were injected， the damage of the non-protective laminates along the fiber direction is approximately round in the aluminum coating and rhomboidal in the copper mesh. Moreover， the aluminum coating has the best lightning protection effect on CFRP， the damage area is 844.02mm2and the damage depth is 0.48mm. The distribution of current density has a strong correlation with the damage area， and the upper current density will affect the temperature expansion of the lower layer.

Key Words： composites； lightning current injection test； protection mode； electrothermal coupling； current density

3971500338212