《航空航天用碳纖維複合材料雷電直接效應的機理研究》是依託西安交通大學，由姚學玲擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：航空航天用碳纖維複合材料雷電直接效應的機理研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：姚學玲
- 依託單位：西安交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
雷電是自然界存在的高電壓大電流放電現象，對航空太空飛行器的安全運行危害極大。隨著碳纖維增強型聚合物複合材料CFRP的技術進步，CFRP廣泛套用在民用飛機、軍用飛機及隱形飛機上，波音B787主翼、尾翼、機體等結構中CFRP的比例達到50%。但CFRP的雷擊損傷遠大於傳統金屬材料，而CFRP雷電直接效應的試驗和測試方法至今尚無規範。 本項目以CFRP雷電直接效應為研究背景，探索雷電與CFRP相互作用的試驗和測量方法，得到雷電流參數與CFRP雷電直接效應的相關規律。在此基礎上，建立CFRP雷電直接效應的物理模型,獲得雷電流參數與CFRP纖維斷裂、樹脂熱解和深度分層的內在規律，並根據實驗數據最佳化物理模型和計算方法，闡釋CFRP的雷擊損傷機理，為CFRP材料優選、CFRP結構設計提供理論依據，同時，為CFRP雷電直接效應試驗與測量方法的規範及CFRP雷電直接效應試驗標準的制定奠定實驗與理論基礎。
結題摘要
隨著碳纖維複合材料CFRP的技術進步，在民用飛機、軍用飛機及隱形飛機上獲得了廣泛套用，但CFRP的雷擊損傷遠大於傳統金屬材料。本項目以CFRP雷電直接效應為研究背景，探索雷電與CFRP相互作用的試驗和測量方法，得到雷電流參數與CFRP雷電直接效應的相關規律；建立CFRP雷電直接效應的物理模型,獲得雷電流參數與CFRP纖維斷裂、樹脂熱解和深度分層的內在規律，建立CFRP的物理模型和計算方法，闡釋CFRP的雷擊損傷機理，為CFRP材料優選、CFRP結構設計提供理論依據。主要研究成果如下： （1）提出了用改進型三電極測量方法，得到了不同鋪層結構的配方碳纖維複合材料的體電阻隨外施直流電壓的變化規律，高導電鋪層及高導電鋪層數的增加可以顯著改善CFRP層合板的體積電阻率。 （2）開展了非破壞雷電流分量作用下碳纖維複合材料動態特性的研究，發現在雷電流的阻抗呈現顯著的非線性特徵，且隨著雷電流分量上升速率的減低和持續時間的增長，CFRP層合板的動態電導率呈現越來越大的趨勢。 （3）建立了碳纖維複合材料層合板的熱電耦合模型，通過計算雷電作用過程中層合板瞬態溫度場分布，結合碳纖維鋪層之間樹脂的熱解行為，並對複合材料燒蝕擴展行為進行了研究，結果表明：雷擊過程中，複合材料的損傷深度與損傷面積在雷擊初始階段迅速增加，隨後變化較為緩慢；鋪層的損傷在自身電流傳導產生的電阻熱以及層與層之間的熱傳導共同作用下具有方向性的不斷擴展。 （4）建立了多重連續時序雷電直接效應測試平台，開展不同組合的多重連續雷電流作用下CFRP層合板的損傷程度變化規律的研究，發現造成CFRP雷擊深度損的主要原因是高幅值、高上升梯度的雷電流A、B及D分量產生的局部熱效應和介質擊穿，造成雷電附著點碳纖維和樹脂的瞬時破裂，使得損傷深度增加；而CFRP損傷面積主要與雷電流的熱效應有關，當雷電流在碳纖維散流時，熱效應造成樹脂熱解及大量碳纖維的燒蝕甚至升華，從而造成損傷面積的增大。
