改性碳纖維增強聚合物復合材料雷擊損傷特性分析

摘 要：在雷擊環境中，碳纖維增強聚合物復合材料（CFRP）與緊固件直接相互作用的效應非常復雜。為深入了解不同因素對損傷模式的影響，設計了一系列實驗模型，探究不同復合材料結構的試樣雷擊損傷效果，包括單向和編織織物結構；分析電流注入分別發生在緊固件部分和碳纖維部分的損傷特性。實驗結果表明，編織織物結構具有更好的導電性能，相比于單向層結構，其雷擊損傷區域更小。雷擊實驗條件對氣體排放、層間剝離損傷特性和雷擊現象均產生了顯著影響。使用高速攝影機觀察了雷擊過程，通過對雷擊擊打過程的分析揭示了緊固件與CFRP復合材料之間的電熱轉換機制。

關鍵詞：復合材料層合板；雷電環境；損傷因素；緊固件

中圖分類號：TQ342+.742" " " " " " " " " " " " "文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " "文章編號：1001-5922（2024）07-0061-03

Analysis of lightning damage characteristics of modified

carbon fiber reinforced polymer composites

JIN Shi，CHAO Lu，Amuersana， LI Xuan

（Hohhot Meteorological Bureau ，Huhehaote 010050，China）

Abstract： In a lightning strike environment， the effects of direct interaction between carbon fiber reinforced polymer composites （CFRP） and fasteners in a lightning strike environment are very complex. In order to deeply understand the influence of different factors on the damage mode， a series of experimental models were designed to explore the damage effect of different sample structures， including unidirectional and woven fabric structures. The damage characteristics of fastener parts and carbon fiber parts caused by current injection were analyzed. The experimental results showed that the woven fabric structure had better electrical conductivity， and the lightning damage area was smaller than the unidirectional layer structure. The experimental conditions of lightning strike had significant effects on gas emission， interlayer stripping damage characteristics and lightning strike phenomena. The electrothermal conversion mechanism between fasteners and CFRP composites was revealed by analyzing the lightning strike process with high speed camera.

Key words： composite laminates；lightning environment；damage factors；fastener

碳纖維增強樹脂基復合材料因其優異的比強度、剛度和耐腐蝕性能，已成為高性能結構材料的首選。然而，復合材料的弱點之一是其易受雷擊等外界沖擊事件的影響，從而引發內部損傷，導致性能下降甚至失效。雷擊事件不僅會對航空航天器、飛機、直升機和無人機等飛行器產生重大影響，還會對復合材料結構的安全性、可靠性和壽命造成威脅。因此，深入了解碳纖維增強樹脂基復合材料在雷擊環境下的損傷機理對于改進和優化復合材料設計、加強結構安全性具有重要意義。

1" "實驗設計與方法

1.1" "實驗材料

研究使用的試樣是通過熱壓成型工藝制備的碳纖維增強聚合物復合材料（CFRP）。試樣有2種不同的CFRP試樣：單向T300/C08碳纖維/環氧預浸料經熱壓成型而成，包含16層預浸料（［45/?45/0/90］2 s，150 mm×40 mm×2 mm），即由2個重復的［45/?45/0/90］s，4層纖維組成，尺寸為150 mm×40 mm×2 mm，纖維體積分數為70%；編織織物T 300/C 08碳/環氧樹脂采用16層正交編織預浸料（150 mm×40 mm×2.4 mm），體積分數為60%。在CFRP復合材料的中心區域放置了一個直徑為4 mm的緊固件，由1Cr18Ni9Ti材料制成。選擇了高速低進給的鉆孔技術，使用臺鉆鉆取直徑為4 mm的孔［1?2］。

1.2" "實驗裝置

為了研究碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）的雷擊損傷特征，本文采用了一種模擬雷擊的實驗平臺，該平臺能夠產生10～200 kA的峰值電流和20～50 μs的上升時間，符合SAE ARP5416標準中對航空CFRP的雷擊測試要求。實驗中，高壓電極與CFRP試樣之間的間隙為2 mm，以保證電弧的穩定發生。

本文使用了高速攝像機、紅外熱像儀和超聲波檢測儀等，以實時觀測和記錄試樣的雷擊過程和損傷結果。通過對比不同電流強度下的試樣表面和內部損傷情況，分析了雷擊電流對CFRP雷擊損傷程度和形式的影響。

1.3" "實驗方法

根據雷電附著點與緊固件的相對位置，將雷電傳導路徑分為3種類型：直接連接、間接附著和傳導電流。試樣的電流路徑如圖1所示。

直接連接類型指的是雷電直接注入緊固件頭部，并從緊固件兩側流出的情況，如圖1（a）所示。采用了2個試樣S1和S2來模擬這種類型的雷電傳導路徑［3?4］。間接附著類型指的是雷電附著點與緊固件有一定距離，但仍然有部分電流從緊固件兩側流出的情況，如圖1（b）所示。采用了1個試樣S3來模擬這種類型的雷電傳導路徑，其中雷電附著點距離緊固件1 cm。傳導電流類型指的是雷電附著點與緊固件較近，但大部分電流通過另一個接地點流出的情況，如圖1（c）和圖1（d）所示。采用了2個試樣S4 和 S5來模擬這種類型的雷電傳導路徑，其中圖1（c）中的避雷針距離緊固件1 cm，圖1（d）中的避雷針距離緊固件2 cm。

在上述雷擊條件下，S1和S2的電流路徑為最壞情況，緊固件周圍的電流密度最大。可能會出現排氣和產生火花的情況。

1.4" "導電網絡模型

為了模擬雷擊過程中的電流分布和電磁效應，實驗設計了一種導電網絡模型，將復合材料表面劃分為若干個小區域，每個小區域用1個電阻代表其導電性能，相鄰小區域之間用1個電感代表其電磁耦合。

當試件S1遭受雷擊時，RCFRP的阻抗值較小，同樣的雷電電流下產生的焦耳熱也較小。電流導通到接觸面并傳遞到各層，接觸部分的間隙中發生2次放電。緊固件和層壓板之間形成一個相對較小的空間，可能會發生排氣現象。內部壓力由熱解氣體增加，當氣壓上升到極限值時，孔洞被擠出。

當試件S2遭受雷擊時，RCFRP的阻抗值最小。當試件S3遭受雷擊時，RCFRP的阻抗值增大。當試件S5遭受雷擊時，左側未接地；ReFRP的阻抗值繼續增加，附件點的溫度急劇上升。當試件S6遭受雷擊時，流經碳纖維的電流路徑變長，RCFRP的阻抗值繼續增加。閃電附件點的溫度瞬間最高。在上述實驗條件下，試件S6的焦耳熱產生能力最大［5?6］。

2" " 結果與討論

2.1" "雷擊過程

通過觀察，不同結構的試樣在雷擊過程中表現出不同的放電模式。試樣S1的放電通道在25 μs時呈對稱分布，表明雷電等離子體在試樣表面均勻擴散。試樣底部有火花放電和氣體排放現象，說明雷電電流在緊固件處產生了局部過熱和氣化。試樣S2在33.3 μs時也出現了類似的現象。試樣S3的表面受到雷電電流的直接注入，由于碳纖維的導電性較差，導致感應電荷在雷電通道附近積累。這些電荷在中和過程中產生了大量的焦耳熱，使得雷電通道附近的溫度迅速升高。在距離雷電附著點較遠處也出現了發光現象，可能是由于復合材料內部的介質擊穿所致。緊固件部分的火花放電并不明顯，可能是由于緊固件的導電性較好，使得雷電電流更容易通過緊固件流向接地點。由于結構不同，試樣S3的放電通道呈不對稱分布［7?8］。試樣S4在遭遇雷擊時，放電通道只有輕微的擴展，緊固件部分并未出現火花放電。這可能是由于試樣S4的結構較為均勻，使得雷電等離子體在試樣表面均勻擴散，沒有產生明顯的局部過熱或氣化。試樣S5在遭遇雷擊時，左側區域的發光強度較右側區域低。這可能是由于左右兩側的導電結構不同，導致局部電場嚴重畸變。表面和底部都有火花放電或電暈現象，并且發光區域沿著接地點方向延伸。這說明雷電電流在試樣內部產生了復雜的分支路徑［9?10］。試樣S6在受到沖擊時，由于其結構最為復雜，導致電場畸變最為嚴重。在最高溫度下，雷電通道大幅度擴展。沿接地點方向也有火花或電暈現象。試樣S6的雷擊現象最為劇烈。圖2 為紅外熱成像儀記錄的熱圖像。

實驗結果表明，雷擊點附近的最高溫度隨著時間的推移而降低。這是由于碳纖維的升華、樹脂的炭化以及氣壓的沖擊導致了孔洞的擴大。在試件表面，緊固件部位的溫度高于其他部位，且上表面的溫度高于下表面，這是因為高溫氣體通過孔洞向下排出。由于溫度越高，氣壓越低，因此邊緣發光等氣體放電現象容易發生［11?12］。

2.2" "試樣的損傷形態

對于試樣S1，觀察到損傷區域呈現出明顯的集中分布，損傷模式包括了燒蝕樹脂熱解、纖維斷裂以及其他形式的損傷。在編織結構的試樣S2中，主要表現為樹脂熱解的損傷特征，且在孔洞處出現輕微的纖維斷裂，這些損傷主要受到了內部爆炸沖擊力的影響［13?14］。試樣S3中，雷電附著點處形成了燒蝕坑，同時緊固件部分的內部損傷區域呈現出集中且減小的趨勢。對于試樣S4，損傷范圍最小，主要表現為雷電附著點處的樹脂熱解現象。在試樣S5中，觀察到在緊固件位置周圍出現了明顯的隆起現象，其中右側隆起區域更為顯著，且其范圍有限，未延伸至邊緣一側。緊固件內部的損傷程度相當嚴重，且電流流出路徑對損傷產生了顯著影響［15?16］。在試樣S6中，緊固件周圍的隆起面積相對減小，且雷擊點之間的距離對其周圍損傷范圍產生了影響?？傮w而言，通過對各個試樣的損傷形態進行觀察和分析，深入了解了帶有緊固件的CFRP復合材料在雷擊條件下的響應特性，為進一步的損傷機理研究和防護策略制定提供了重要的實驗基礎。

3" "結語

（1）通過對雷電流傳導路徑的詳細分析，揭示了不同損傷模式和分層情況。編織結構呈現出良好的導電路徑，從而有助于減少分層和熱解損傷。雷電實驗條件對脫氣現象和分層破壞特征產生顯著影響?；谠摻Y構的實驗研究為進一步改進內部層狀結構提供了有價值的參考。通過對不同分流路徑進行實驗研究，為飛機發電機所用的復合材料在雷擊環境下可能出現的情況提供了實際數據支持［17?18］；

（2）通過采用高速攝像機和熱紅外成像儀，能夠直觀地追蹤電流與層壓板之間相互作用的演變和冷卻過程。當雷電擊中試樣S5和S6時，電場畸變和溫度不均勻現象變得顯著，同時觀察到明亮的電暈或邊緣輝光現象。將實驗過程與仿真模型中的電場分布相結合，有助于分析不同雷擊條件下的雷電現象，為雷電過程中點火源的預測和防護提供了重要線索。

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