碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)具有較高的力學(xué)強度和剛度,優(yōu)異的抗疲勞性和腐蝕性能,并且密度低,具有顯著的減重優(yōu)勢,在航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。高強度且輕質(zhì)量的碳纖維復(fù)合材料可以大幅度地提高飛機的載客量和燃油效率,所以在飛機中大范圍應(yīng)用是必然趨勢。然而,碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)電性差,遭受雷擊后,不像金屬結(jié)構(gòu)件可以快速釋放電流,導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料很容易遭受雷擊損傷,嚴(yán)重威脅飛行安全。為了保證碳纖維復(fù)合材料在飛機中應(yīng)用的安全性,必須對其進行雷擊防護。因此,研究碳纖維復(fù)合材料的雷擊損傷和雷擊防護,提高碳纖維復(fù)合材料的雷擊防護能力,對提高碳纖維復(fù)合材料在飛機中應(yīng)用的安全性具有重要意義。鑒于以上背景,提出了本課題的研究。本文以實驗為主,有限元模擬為輔,實驗和模擬相結(jié)合對碳纖維復(fù)合材料雷擊防護的若干個問題做了深入的研究。首先,通過人工雷擊實驗和有限元模擬揭示了碳纖維復(fù)合材料的雷擊損傷機理和規(guī)律;其次,分別以擴展金屬網(wǎng)(EMF)和鍍鎳碳?xì)?Ni-CFNV)為例,研究了不同雷擊防護層的防護效果和機理;最后,以玻璃纖維隔離層為例,探究用于消除電化學(xué)腐蝕的隔離層的雷擊防護效果和機理。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:碳纖維復(fù)合材料的雷擊損傷實驗表明,碳纖維復(fù)合材料的雷擊損傷包括樹脂燒蝕、碳纖維斷裂和鋪層開裂三種主要形式,雷擊損傷的主要誘因為雷擊過程產(chǎn)生的高溫和機械力。碳纖維復(fù)合材料遭受雷擊后,表面發(fā)生嚴(yán)重的樹脂燒蝕和纖維斷裂損傷,內(nèi)部出現(xiàn)大量分層損傷,表面損傷面積和內(nèi)部分層面積并不重合,但均以雷擊點為中心逐漸向鋪層方向和厚度方向延伸。碳纖維復(fù)合材料在不同的雷電波形下,具有不同的損傷特點和損傷機理。碳纖維復(fù)合材料遭受標(biāo)準(zhǔn)D波(沖擊電流波形,100 kA)后的損傷集中于一個雷電附著點,面積小,深度大;碳纖維復(fù)合材料遭受標(biāo)準(zhǔn)C波(持續(xù)電流波形,200 Coulomb)后的損傷呈點狀隨機分布,面積大,深度小。標(biāo)準(zhǔn)C波具有典型的熱燒蝕效應(yīng),標(biāo)準(zhǔn)D波具有典型的電-熱-機械沖擊效應(yīng)。本文使用Friedman法分析不同升溫速率下的熱重曲線,獲得了碳纖維復(fù)合材料熱解動力學(xué)方程的全部參數(shù),并采用差分法推導(dǎo)了熱解度cα的表達(dá)式。進而通過耦合電-熱場和熱解動力學(xué)本構(gòu),建立了碳纖維復(fù)合材料的雷擊損傷模型,可以很好地仿真碳纖維復(fù)合材料遭受雷擊后的熱燒蝕過程。有限元模擬結(jié)果和實驗結(jié)果吻合度較高,說明了本文有限元模型的準(zhǔn)確度和適用性。通過比較雷擊損傷模擬結(jié)果和實驗結(jié)果,建立了具有普適性的碳纖維復(fù)合材料雷擊損傷判據(jù),即:用溫度場評估雷擊損傷面積,用熱解度場評估雷擊損傷深度。擴展金屬網(wǎng)在標(biāo)準(zhǔn)C波和標(biāo)準(zhǔn)D波人工模擬雷電實驗條件下,具有較高的雷擊防護效率。雖然擴展金屬網(wǎng)被雷電燒蝕,但是下面的碳纖維鋪層基本保持完整,相比無防護的碳纖維復(fù)合材料試樣,明顯降低了雷擊損傷程度,提高了雷擊后的剩余強度和剩余模量。擴展金屬網(wǎng)的防護效率隨著面密度的增加而提高;擴展鋁網(wǎng)的雷擊防護效率顯著高于相同面密度的擴展銅網(wǎng),甚至高于自身面密度二倍的擴展銅網(wǎng)。雷擊防護膠膜的效率主要取決于其內(nèi)部擴展金屬網(wǎng)的面密度,和膠膜層的關(guān)系不大。試樣雷擊后的損傷形貌表明擴展金屬網(wǎng)雷擊防護層的電導(dǎo)率具有各向異性的特點。本文通過建立RVE模型和有限元計算,證明了擴展金屬網(wǎng)電導(dǎo)率具有各向異性,其LWD(Long Width of Diamond,菱形網(wǎng)格長對角線)方向的電導(dǎo)率為其SWD(Short Width of Diamond,菱形網(wǎng)格短對角線)方向電導(dǎo)率的2-5倍。擴展金屬網(wǎng)具有各向異性的電導(dǎo)率主要因為其菱形網(wǎng)格的LWD大于SWD,通過調(diào)節(jié)LWD/SWD,可以設(shè)計擴展金屬網(wǎng)電導(dǎo)率各向異性的程度(σLWD/σSWD)。以擴展金屬網(wǎng)為例,本文提出了利用各向異性防護層提高雷擊防護效率的新方法。在飛機雷擊1區(qū)和3區(qū),擴展金屬網(wǎng)的LWD方向需要設(shè)計為與雷電電流路徑方向相同,在雷擊2區(qū),擴展金屬網(wǎng)的LWD方向需要設(shè)計為與飛機飛行的方向垂直。作為一種金屬和非金屬一體化(雜化)材料,鍍鎳碳?xì)志哂袃?yōu)異的雷擊防護性能,雷擊實驗表明,在標(biāo)準(zhǔn)C波和標(biāo)準(zhǔn)D波下,70 g/m2的鍍鎳碳?xì)直?3 g/m2的商用擴展銅網(wǎng)具有更高的雷擊防護效率,因此,鍍鎳碳?xì)挚商娲饘倬W(wǎng)作為飛機2區(qū)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的雷擊防護方案。鍍鎳碳?xì)钟善ば窘Y(jié)構(gòu)的鍍鎳碳纖維構(gòu)成,具有鎳涂層網(wǎng)絡(luò)和碳纖維骨架兩個雷擊防護網(wǎng)絡(luò),其雷擊防護機理可由這兩個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同作用解釋:鎳涂層網(wǎng)絡(luò)使得鍍鎳碳?xì)志哂懈叩膶?dǎo)電性,碳纖維骨架增加了鍍鎳碳?xì)值哪蜔g性。除了防護層的導(dǎo)電性以外,防護層的耐燒蝕性也是影響碳纖維復(fù)合材料雷擊防護效率的重要因素,優(yōu)異的雷擊防護方案必須兼具導(dǎo)電性和耐燒蝕。人工雷擊實驗證明了用于電化學(xué)腐蝕防護的玻璃纖維隔離層可提高碳纖維復(fù)合材料的雷擊防護效率。玻璃纖維隔離層的雷擊防護效果基于一種“隔離”機制,這可以通過它的電絕緣性、熱絕緣性和耐火性來解釋。作為電絕緣體,玻璃纖維可以防止雷電電弧、電火花和電流向下滲透到下面的碳纖維復(fù)合材料鋪層,避免了碳纖維復(fù)合材料遭受內(nèi)部焦耳熱的燒蝕。作為絕熱體,玻璃纖維可以阻止雷電的等離子體、電弧或火花和防護層的焦耳熱或火焰的熱量傳遞到下面的碳纖維復(fù)合材料,抑制外部熱對碳纖維鋪層的燒蝕。玻璃纖維隔離層的耐火性可以有效延長玻璃纖維使用壽命,隔離雷電的電荷和熱量,抑制碳纖維復(fù)合材料的燃燒。在雷擊防護層和碳纖維鋪層之間插入絕緣的、熱絕緣的且耐火的隔離層,不但可以消除防護層的電化學(xué)腐蝕,還可以提高雷擊防護效果。綜上所述,本文從碳纖維復(fù)合材料的雷擊損傷機理出發(fā),分別研究了防護層和隔離層在雷擊防護中的作用,揭示了碳纖維復(fù)合材料雷擊防護的機理和規(guī)律,對飛機上碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件雷擊防護性能的優(yōu)化設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TQ327.3;V258.3
【部分圖文】：

飛機在低空飛行過程中容易遭受雷擊，尤其在起飛或降落時，飛機可主動觸發(fā)雷??電，也可以被動穿過雷電通道。飛機遭受雷擊后，會將雷電等離子通道截斷或自??身作為雷電通道的一部分（如圖１－１所示）。飛機在空中飛行無法接地，因此，??飛機無法避雷，只能防雷。飛機防雷是基于提高飛機表面的導(dǎo)電性，將雷電快速??疏導(dǎo)到周圍大氣中，減少雷電帶來的電熱效應(yīng)和機械效應(yīng)。??１??

圖１－３ＳＡＥＡＲＰ５４１２規(guī)定的四種電流波形??Ｆｉｇ．?１－３?Ｆｏｕｒ?ｃｕｒｒｅｎｔ?ｗａｖｅｆｏｒｍｓ?ｓｐｅｃｉｆｉｅｄ?ｂｙ?ＳＡＥ?ＡＲＰ?５４１２??研究雷電對飛機的直接效應(yīng)，一般采用電流波形，四種電流波形（如圖１－３??所示）分別代表不同的雷電環(huán)境。電流分量Ａ，即電流波形Ａ?（Ａ波），代表第??一次回?fù)簦ǎ龋颍螅?Ｒｅｔｕｒｎ?Ｓｔｒｏｋｅ），峰值高達(dá)２００?ｋＡ；電流波形Ｂ?（Ｂ波）代表中??間電流（Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ?Ｃｕｒｒｅｎｔ）波形，電荷量為１０?Ｃ；電流波形Ｃ?（Ｃ波）代表??持續(xù)電流（Ｃｏｎｔｉｎｕｉｎｇ?Ｃｕｒｒｅｎｔ）波形，電荷量為２００?Ｃ；電流波形Ｄ?（Ｄ波）代??表后續(xù)回?fù)綦娏鞑ㄐ危ǎ樱酰猓螅澹瘢酰澹睿?Ｒｅｔｕｒｎ?Ｓｔｒｏｋｅ），峰值為１００?ｋＡ。四種電流波??形的具體特征參數(shù)見表１－２。??表１－２四種電流波形的特征參數(shù)??Ｔａｂｌｅ?１?－２?Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ?ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ?ｏｆ?ｆｏｕｒ?ｃｕｒｒｅｎｔ?ｗａｖｅｆｏｒｍｓ???Ａ?Ｂ?Ｃ?Ｄ???峰值?／?幅值?２００ｋＡ（±１０％）?２ｋＡ?２００－８００?Ａ?１００ｋＡ（±１０％）??作用積分（￡）ａ?２ｘｌ〇６Ａ２ｓ（±２０％）?－?－?２．５ｘｌ０５?Ａ２ｓ?（±２０％）??電荷轉(zhuǎn)移（０ｂ?－?１０?Ｃ?（±１０％）?２００?Ｃ?（±２０％）?－??持續(xù)時間?＜５００?［ｉｓ?＜５?ｍｓ?０．２５－１?ｓ?＜５００?ｊａｓ??注＇五??２＝￡／（／＞＊；／（〇：雷電電流。??在用于雷電直接作用或者間接作用分析時

碳纖維復(fù)合材料的制作采用平板硫化機（型號ＸＬＢ－Ｄ（Ｑ），青島光越橡膠設(shè)備??制造公司）熱模壓工藝，復(fù)合材料固化壓強為７．５?ａｔｍ，固化溫度１３０°Ｃ，固化溫??度曲線大致如圖２－ｌｂ所示。??碳纖維復(fù)合材料試樣固化工藝大致流程為：??１、

本文編號：2840371