雷电流组合波形下碳纤维/环氧树脂基复合材料层压板雷击损伤试验

为了评估碳纤维/环氧树脂基复合材料位于不同飞机雷击分区下的雷击损伤程度及损伤特征,采用A+B、D+B+C和A+B+C+D 3种不同的雷电流波形组合,对两类不同尺寸复合材料层压板试验件（Type1和Type2）进行了模拟雷电流冲击试验,通过目视损伤观察和超声损伤扫描,分析评估了复合材料位于飞机1A区、2A区及1B区时的雷击损伤程度及特征,同时还对含铜网防护碳纤维/环氧树脂基复合材料层压板在不同雷击分区下的雷击防护效果进行了评估。结果表明：不同雷击分区下,碳纤维/环氧树脂基复合材料在雷电流作用下的损伤模式基本一致,包括纤维断裂、基体烧蚀及分层损伤;对于相同类型试验件,1B区对应雷击损伤程度最严重,其次为2A区,1A区损伤程度最小;在相同雷击分区下,长宽比较小的Type1型试验件雷击损伤程度大于长宽比较大的Type2型试验件;0.25 mm厚铜网能够有效对碳纤维/环氧树脂基复合材料进行雷击防护,位于1A区、2A区及1B区的含防护与无防护Type2型试件,前者雷击损伤程度较后者分别下降88.9%、53.9%和68.7%。     

碳纤维蜂窝夹层结构防雷击铜网胶膜共固化设计及雷击与承载能力试验

为有效防止直升机碳纤维蜂窝夹层复合材料蒙皮在雷击环境遭受雷击损伤,采用在蜂窝夹层结构表面铺设铜网胶膜一次固化成形的方法预防。针对直升机不同雷电附着区的七种典型蜂窝夹层结构采用A+B+C+D和D+B+C两种雷电流试验波形进行雷电直接效应试验,并采用面内剪切试验对试验件雷击前/后承载能力和铜网胶膜对承载能力的影响进行试验对比分析。试验证明,在蜂窝夹层结构表面铺设铜网胶膜一次固化成形的方法,能够有效预防雷击损伤,试验件未出现基体大面积烧蚀、分层和片状剥落等现象;承载能力试验中蜂窝夹层结构表现沿载荷加载方向起皱破坏的模式;试验件在雷击前/后承载能力衰减不明显,最大衰减量为4.5%;铜网胶膜有助于提高试验件承载能力,C型试验件相比H型试验件承载能力提高了26.9%;试验件承载能力分散性相对较小,最大分散度为10.4%。     

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%。     

喷铝涂层碳纤维增强树脂基复合材料抗雷击性能实验及仿真

为了研究喷铝涂层对碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon fiber reinforced polymer,CFRP）结构的雷击防护（LSP）性能,开展了实验和数值仿真研究。对未防护CFRP材料开展的雷击过程观测、损伤测试及超声C扫描检测结果表明：雷电流直接效应会对CFRP造成明显的可见损伤,且焦耳热效应会在雷电流注入到材料中后持续作用,引起更大范围的内部损伤;对全喷铝CFRP开展的雷击测试表明,喷铝涂层能够显著减小CFRP表面的雷击损伤面积,且涂层厚度越大,LSP效果越好。基于实验结果,采用随温度变化的材料参数建立了未防护、全喷铝及十字形喷铝3种CFRP结构的电热耦合效应仿真模型,并与实验结果进行对比,验证了仿真方法的有效性。最后,利用所建立的模型分析了雷电流A波作用下喷铝涂层的LSP性能。结果表明,当全喷铝涂层的厚度为0.19 mm时,CFRP的损伤面积占比随结构的增重比达到最优;而对十字形涂层来说,雷电流传导路径所在的分支宽度应不小于20 mm,非传导路径所在的分支则可根据需要尽量减小宽度。     

复合材料雷击放电效应三维数值模拟

建立长空气间隙及复合材料层合板三维有限元模型,采用棒-板长间隙正极性流注生长概率模型为基于经典流注理论的随机放电模型。计算空气间隙区域内各网格点电位,列出电极周围所有流注待发展路径,计算每条流注待发展路径的生长时间,确定具有最小生长时间路径为优先选择路径。流注到达复合材料层合板后选流注与板交叉点作为雷击附着点进行复合材料层合板雷击直接效应分析,获得复合材料层合板在雷电压作用下电势、温度及热应力分布。计算结果表明,流注瞬间产生的高电势、温度及热应力主要沿顶层电导率最大方向对称扩展,所研究的初步结果可作为定性描述;为准确模拟复合材料的雷击放电效应过程,需进一步考虑复合材料的雷击烧蚀及热力学等破坏机理。     

表面镀铝及附着碳化硅微粒的高模碳纤维与铝的压铸复合特性

采用挤压铸造法直接制备了高模碳纤维、离子喷镀铝碳纤维及附着SiC微粒的碳纤维增强铝复合材料,考察了碳纤维与铝的压铸复合特性。结果表明,纯碳纤维和喷镀1μm铝层的碳纤维与铝的压铸复合持性差,而且镀铝碳纤维的铝镀层预热时发生氧化,形成氧化物界面层,但附着SiC微粒的碳纤维与铝的压铸复合特性好,纤维在铝基体中均匀分散,被铝浸润,纤维与纤维无相互接触。实验初期制备的复合材料的轴向拉伸强度为600MPa。SiC微粒的主要作用是间隔纤维,形成利于熔融铝浸透纤维的通道,使铝与纤维能较好地复合。     

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。      

热电耦合对铝/钢连续驱动摩擦焊接头组织的影响机理

采用连续驱动摩擦焊技术焊接纯铝1060/Q235低碳钢异质接头,开展两个周期(30天/60天)热电耦合实验(静载392 N+高温300 ℃+直流60 A),研究热电耦合对铝/钢异质接头焊缝微观组织、力学性能及界面生长的影响。结果表明：原始态接头界面径向金属间化合物(IMCs)层厚度不均匀,中心区域无明显IMCs生成。热电耦合30天后界面中心生成宽度为0.3~0.5 μm且以颗粒状由钢侧向铝侧弥散分布的IMCs层,整体拉伸断裂在铝母材的热力影响区。热电耦合60天后IMCs层与钢侧之间出现腐蚀沟槽,IMCs破碎,钢侧无裂纹产生,铝侧形成大量由IMCs层向铝母材内部扩展的裂纹和孔洞,焊缝及裂纹尖端处成分偏析,整体拉伸断裂在焊缝处。界面腐蚀和失效速率与界面IMCs层的厚度成正比,即v_center＜v_1/2R＜v_2/3R。由于原始态接头界面组织不均匀以及热电耦合实验过程中界面不同位置组织生长速率的差异,使得热电耦合后接头界面2/3R位置出现不同断裂形貌的分界线,2/3R内侧以准解理断裂方式为主,2/3R外侧为韧窝断裂和准解理断裂的综合结果。     

添加铜网对片层石墨/Al复合材料热物理性能的影响

使用盐浴法对片层石墨（GFs）进行表面镀Si处理,采用真空热压法制备片层石墨/Al复合材料（Si-GFs/Al）。向Si-GFs/Al复合材料中添加10vol%的铜网,研究了铜网对Si-GFs/Al复合材料热导率和力学性能的影响。使用SEM、聚焦离子束（FIB）和TEM对Si-GFs/Al复合材料的微观结构和微观界面进行表征,并分析了复合材料的断裂机制。结果表明,添加铜网使Si-GFs/Al复合材料内部出现了高聚集定向GFs带,形成高导热通道。当GFs体积分数为30vol%~40vol%时,Si-GFs/Al复合材料的热导率提升了约20%,弯曲强度提升了40%以上。当GFs体积分数为40vol%时,Si-GFs/Al复合材料热导率和弯曲强度同时达到一个优值,分别为512 W/（mK）和127 MPa。      

雷击冲击力作用下复合材料层合板动力学响应及损伤特性

采用基于连续介质损伤理论（CDM）的复合材料三维渐进损伤分析模型,以ABAQUS有限元分析软件为平台,结合VUMAT子程序,对雷击冲击力作用下的复合材料层合板进行了三维动力学分析,研究了雷击冲击力作用下层合板的动力学响应及损伤特性。结果表明,在雷击冲击力作用下,层合板做降幅振荡运动,冲击力做功与层合板内能和动能相互转换,同时伴随着黏性耗散能,冲击力做功大小可用雷电流库伦量与作用积分的函数表示;层合板损伤由外力做功大小决定,对于同种材料,基体、纤维及分层损伤分别存在不同的损伤能量临界值,当冲击力做功大于该值,层合板会产生对应的损伤;在相同边界支持条件下,冲击力总功最大值决定了不同损伤类型损伤状态变量的大小,与波形参数和峰值电流无关。     

Lightning ablation suppression of aircraft carbon/epoxy composite laminates by metal mesh

Three-dimensional finite element (FE) models of carbon/epoxy composite laminates with copper mesh and aluminum mesh protection were established subjected to lightning strike, in which different mesh spacing was selected. Effectiveness of numerical method was verified and impulse current waveforms with different current peaks were applied according to aircraft lightning zones. Thermal-electrical material parameters varying with temperature were added into numerical models. Element deletion method was used to deal with lightning ablation elements of composite structures. The results show that ablation area and depth of composite laminates with metal mesh protection are significantly smaller, which proves good protection effectiveness of metal meshes on anti-lightning strike. The denser the mesh spacing, the better the anti-lightning strike will be. Protection of composite laminates with copper mesh has better effects than that of aluminum mesh. Considering the effect of mesh spacing variation on composite structural weight and anti-lightning strike, the ideal mesh spacing was obtained.     

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。     

含紧固件复合材料层压板结构雷击烧蚀损伤特征分析

为了对含紧固件复合材料层压板的雷击烧蚀损伤特征进行分析,根据雷击过程中的能量平衡关系,建立了含紧固件复合材料层压板结构雷击烧蚀损伤数学分析模型。基于该分析模型,在ABAQUS中建立了含紧固件复合材料层压板结构雷击烧蚀损伤分析三维有限元模型,并对不同电势边界条件下的雷击烧蚀损伤进行了分析。分析结果表明:由于金属紧固件的存在,雷电流可以通过紧固件沿层压板结构厚度方向传导,然后在各铺层内进行电流分配,各方向铺层传导雷电流的能力与该层电势梯度方向和电势梯度方向的电导率有关;在不同的电势边界条件下,各层的电势分布有所差异,从而导致了各铺层传导雷电流能力的不同,最终引起不同的雷击烧蚀损伤分布。通过本文的研究,能够对含紧固件复合材料层压板结构的雷击烧蚀损伤特征有定性的认识。     

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。     

Carbon nanofiber paper for lightning strike protection of composite materials

Carbon fiber reinforced polymer matrix composites have been increasingly used for aircraft structures. Such relatively low-conductivity composite materials need to be engineered with lightning strike protection to achieve lightning tolerance comparable to metallic components. This study developed a specialty paper made of carbon nanofibers and nickel nanostrands as a surface layer on the composite panels and explored potential replacement for existing lightning strike protection materials. The porous, flexible, non-woven papers of nanofibers and nanostrands were first prepared by the papermaking process. They were then incorporated onto the surface of carbon fiber reinforced polymer composites through resin transfer molding process. A method of applying a temporary surface barrier on the paper was developed to prevent the infused resin from breaching the paper’s surface. This minimized the resin on the composite panel’s surface and allowed its surface conductivity to remain high. The lightning strike tests conducted on these composite panels showed that lightning strike tolerance correlated to the surface conductivities of composite panels.     

Lightning Strike Ablation Damage Influence Factors Analysis of Carbon Fiber/Epoxy Composite Based on Coupled Electrical-Thermal Simulation

According to the mathematical analysis model constructed on the basis of energy-balance relationship in lightning strike, and accompany with the simplified calculation strategy of composite resin pyrolysis degree dependent electrical conductivity, an effective three dimensional thermal-electrical coupling analysis finite element model of composite laminate suffered from lightning current was established based on ABAQUS, to elucidate the effects of lighting current waveform parameters and thermal/electrical properties of composite laminate on the extent of ablation damage. Simulated predictions agree well with the composite lightning strike directed effect experimental data, illustrating the potential accuracy of the constructed model. The analytical results revealed that extent of composite lightning strike ablation damage can be characterized by action integral validly, there exist remarkable power function relationships between action integral and visual damage area, projected damage area, maximum damage depth and damage volume of ablation damage, and enhancing the electrical conductivity and specific heat of composite, ablation damage will be descended obviously, power function relationships also exist between electrical conductivity, specific heat and ablation damage, however, the impact of thermal conductivity on the extent of ablation damage is not notable. The conclusions obtained provide some guidance for composite anti-lightning strike structure-function integration design.     

浅谈空分设备仪电系统防雷措施

简介了雷击对南钢联气体公司空分设备正常运行的影响和原有的防雷措施,详细介绍对仪电系统进行防雷保护的一些措施与办法,从而有效遏制因雷击产生的干扰对现场设备的损坏,避免空分设备因雷击而停车的事故发生。