碳纖維復(fù)合材料以其輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高模量和耐腐蝕等優(yōu)異性能而著稱,在航空航天器中作為主結(jié)構(gòu)材料得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但這種新材料與傳統(tǒng)的金屬材料相比對雷電更加敏感,大范圍的使用無疑讓飛行更加危險,因此大量應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料的飛行器在雷電環(huán)境中的安全性問題備受關(guān)注。研究碳纖維復(fù)合材料的雷擊損傷,確保其在航空航天中應(yīng)用的安全性,對我國早日掌握大飛機(jī)設(shè)計與制造的關(guān)鍵核心技術(shù)具有重要意義。本文實(shí)驗(yàn)研究了碳纖維增強(qiáng)熱固性樹脂基復(fù)合材料層合板的制備技術(shù),分別制備了碳納米管層間增韌/強(qiáng)化導(dǎo)熱導(dǎo)電的碳纖維復(fù)合材料層合板試樣、帶有三維抗雷擊表面功能層的碳纖維復(fù)合材料層合板試樣、無孔拉伸/壓縮試樣、有孔帶金屬緊固件的碳纖維復(fù)合材料層合板試樣等多種試樣。針對不同類型層合板雷擊防護(hù)的特點(diǎn)開展相應(yīng)的人工模擬雷擊試驗(yàn),并對層合板損傷進(jìn)行表征和對比分析。得到的具體結(jié)論為：(1)雷擊損傷從雷擊附著點(diǎn)開始沿著每一鋪層的碳纖維軸向?qū)ΨQ性地呈扇形向外擴(kuò)展,形成了顯著對稱的分層損傷形貌；(2)碳纖維復(fù)合材料雷擊損傷后的微觀形貌為樹脂熱降解產(chǎn)生的剩余殘?zhí)砍练e在裸露的碳纖維上,碳纖維斷裂、燒蝕、膨起并且局部增粗；(3)層間增韌/強(qiáng)化導(dǎo)熱導(dǎo)電的層合板的雷擊防護(hù)性能隨著改性層數(shù)的增多而變好；(4)比較多種雷電防護(hù)改性的碳纖維復(fù)合材料層合板的雷擊損傷情況,結(jié)果表明具有三維抗雷擊表面功能層的復(fù)合材料層合板的雷擊防護(hù)效果最佳；(5)添加等量的鍍鎳多壁碳納米管(Ni-MWCNTs)進(jìn)行導(dǎo)電改性的層合板的雷擊防護(hù)效果明顯好于添加非鍍鎳改性的多壁碳納米管(MWCNTs); (6)金屬緊固件在碳纖維復(fù)合材料上的使用增大了雷擊的危險性。為了實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)-導(dǎo)電-防雷一體化設(shè)計的目標(biāo),綜合電、熱、化學(xué)降解等因素的作用,通過調(diào)用ABAQUS有限元軟件的用戶自定義子程序USDFLD、HEAVEL引入熱降解度,建立了碳纖維復(fù)合材料雷擊損傷過程的熱-電-熱降解多物理場耦合分析模型,從而實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料層合板的雷擊損傷過程的有限元模擬。比較有限元模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證了有限元模擬方法的合理性,在此基礎(chǔ)上研究了各種因素對碳纖維復(fù)合材料雷擊損傷的影響及其之間的關(guān)系,并進(jìn)行回歸分析。得到的具體結(jié)論為：(1)引入熱降解度及其分布的物理量,綜合溫度、時間和空間因素,探究了雷擊所致的復(fù)合材料層合板的熱損傷行為,建立了與熱降解度相關(guān)的復(fù)合材料各向異性熱電性能模型,使得模擬結(jié)果更加合理、精確；(2)在損傷面積、損傷深度以及損傷體積等衡量損傷的三個指標(biāo)中,損傷體積能較好地衡量雷擊損傷程度；(3)雷電流參數(shù)中的電荷量對碳纖維復(fù)合材料層合板的損傷體積影響最大,損傷體積分別和電荷量、作用積分有對數(shù)關(guān)系；(4)雷擊損傷體積與復(fù)合材料電導(dǎo)率具有較強(qiáng)的對數(shù)關(guān)系,雷擊損傷隨著電導(dǎo)率的增大而大幅減小,而復(fù)合材料熱導(dǎo)率對雷擊損傷基本沒有影響。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB332

【參考文獻(xiàn)】

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1 丁寧;趙彬;劉志強(qiáng);王富生;甘建;;復(fù)合材料層合板雷擊燒蝕損傷模擬[J];航空學(xué)報;2013年02期

本文編號：2394985