碳纖維復合材料雷電防護特性仿真及試驗研究

胡靜 鞏翰林 司曉亮 孫斌

摘要：為了研究不同防護方式下的碳纖維增強型復合材料（CFRP）層合板雷電損傷特性，針對無防護、噴鋁涂層防護以及銅網防護的三種CFRP層合板注入D+B+C*雷電流組合波形，通過觀察損傷區域、C掃描探測并結合電熱耦合與電流密度分布仿真，研究不同防護方式下CFRP損傷特性。研究表明，CFRP損傷類型有樹脂燒蝕、纖維斷裂、分層等損傷形式。在注入組合波形后，無防護層合板損傷沿纖維方向，噴鋁涂層防護層合板損傷呈近似圓形，銅網防護層合板損傷呈近似菱形，且噴鋁涂層對CFRP的雷電防護效果最好，損傷面積為844.02mm2，損傷深度為0.43mm。電流密度的分布與損傷區域有很強的相關性，上層電流密度會影響下層鋪層溫度拓展。

關鍵詞：復合材料；雷電流注入試驗；防護方式；電熱耦合；電流密度

中圖分類號：V258文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.01.012

基金項目：航空科學基金（20184467016）

復合材料廣泛應用于飛機主承力結構，近年來相關研究工作主要圍繞飛機復合材料結構件的疲勞、沖擊損傷以及損傷監測等問題，已經逐步發展出一系列應對和控制方法[1-4]。隨著飛機結構復合材料占比越來越多，飛機在飛行中遭受雷擊時，由于碳纖維增強型復合材料具有低電導率和導熱系數的特點，遭受雷擊后會發生樹脂燒蝕、纖維斷裂、分層等破壞現象，因此針對其雷擊防護的研究具有科學價值和應用前景[5]。

SAE ARP5412[6]標準明確規定了雷電流直接效應的4種雷波形。考慮到飛機遭遇雷擊后不同部位或結構的雷擊強度不同，將機體劃分為不同的區域，給出不同機體區域對應的雷電流組合波形[7]。國內外學者對碳纖維復合材料雷擊損傷做了很多研究。Li等[8]使用不同鋪層方式層合板進行不同雷電流波形的雷擊試驗，研究結果表明隨著雷電流峰值增大損傷區域主要沿纖維方向拓展，并且層合板的鋪層方式對損傷有很大影響。孫晉茹等[9]選擇不同雷電流組合方式，研究雷電流分量對層合板損傷的影響，研究發現雷電流分量施加順序是影響層合板損傷的重要因素。丁寧等[10]等也利用有限元分析雷擊后碳纖維增強型復合材料（CFRP）層合板溫度分布，研究發現鋪層方式、樹脂類型、電導率、熱導率、雷電流峰值等因素都會影響CFRP層合板的損傷形式。對于CFRP層合板的雷擊防護肖堯等[11]利用銀粉改性等方式提高層合板雷擊防護能力。郭云力[12]研究流新型鍍鎳碳纖維無紡布在雷電波形C和D分量下的雷擊損傷，結果表明鍍鎳碳纖維無紡布的防雷效果優于銅網。

在目前應用的CFRP雷擊防護材料中，銅網、噴鋁涂層在未來有著更廣闊的應用前景。但是CFRP使用金屬進行雷擊防護不可避免地伴隨著結構增重的問題，因此針對不同防護方式下CFRP的雷電損傷特性研究具有迫切需求。本文選擇2A區雷電流組合波形D+B+C*對無防護、銅網防護以及噴鋁涂層防護的CFRP層合板進行雷電流注入試驗，觀察雷擊后損傷區域，通過損傷區域、C掃描圖像、電熱耦合仿真結果的比對，分析了雷電流組合波形D+B+C*作用下不同防護方式的雷電防護性能。最后，比較不同防護方式下電流分布與電熱耦合，分析電流密度對損傷的影響。研究結果對CFRP的雷擊防護有著重要參考和應用價值，能夠為復合材料雷電防護設計提供理論基礎和試驗依據。

1復合材料層合板雷電防護試驗研究

1.1試驗件與試驗設備

試驗件的型號為QY9611/ZT7H，尺寸為300mm×300mm，碳纖維復合材料層合板的鋪層順序選取[45°/0°/-45°/90°/45°/0°/-45°/90°/45°/0°/-45°/90°]，共12層，每層厚度為0.128mm。通過無防護、噴鋁涂層防護和銅網防護三種層合板研究雷電流對層合板的損傷。噴鋁涂層和銅網防護CFRP層合板試樣如圖1所示。噴鋁涂層防護層合板如圖1（a）所示，鋁層厚度為0.05mm，銅網防護層合板如圖1（b）所示，銅網厚度為0.05mm，長截距為2.54mm，短截距為1.23mm，面積重量為73g/m2，形狀參數如圖2所示。

試驗中使用能量產生符合標準要求波形的雷電流發生器系統，試驗現場如圖3所示。相關試驗設備還有用來采集雷電流數據的數據采集系統，記錄試驗連接線路和試驗件在雷擊試驗前后狀況的參數采集系統，具體試驗設備見表1。

1.2試驗方法

1.2.1試驗件夾持裝置

試驗件夾持裝置如圖4所示，上電極為直徑50mm的銅質球狀放電電極，根據SAE ARP 5414A[7]試驗標準規定將電極與試件間隔調整為50mm，試件四邊使用金屬壓板和夾具固定通過鋁條將金屬壓板連接統一接地，試件放置在有絕緣材料的試驗臺上，試驗時雷擊點選擇試驗件表面中心點。

1.2.2試驗波形

進行雷電流注入試驗時，根據SAE ARP5414A[7]標準中劃分的飛機雷電分區，所處不同分區的碳纖維材料或者結構件選擇不同的雷電波形。不同雷電分區的雷電流波形見表2。

根據SAE ARP 5416A[13]標準中規定的試驗流程以及方法選擇D+B+C*的組合波形對三種層合板進行雷電流注入試驗，雷電流注入試驗完成后對試件進行無損檢測研究不同防護方式下碳纖維復合材料的損傷特性。D+B+C*的組合波形圖如圖5所示。

1.3試驗結果分析

1.3.1層合板損傷分析

對無防護、銅網防護以及噴鋁涂層防護層合板注入雷電組合波形D+B+C*后損傷狀況和C掃描圖像如圖6所示。

從圖6中三種試件注入D+B+C*波的雷擊后損傷形態和C掃圖像可以看出：（1）在雷電組合波形的作用下，無防護的試件出現明顯的分層損傷現象，如圖6（a）所示，損傷區域發生樹脂燒蝕，中間碳纖維為散亂的毛發狀暴露在空氣中，在雷電流注入點位置沿表層鋪層方向（45°方向）纖維出現明顯的膨脹斷裂，損傷沿垂直纖維方向（-45°方向）逐漸減少，對比C掃圖像來看兩者損傷形貌相似。（2）試件銅網防護的層合板部分銅網被組合雷電流燒蝕損傷，如圖6（b）所示，但碳纖維層合板的鋪層結構完整。對比C掃圖像來看，金屬銅網的損傷形態近似成菱形，這是因為銅網形狀為規則的菱形網格，長邊和短邊的分布使得防護層在水平上呈現出各向異性，因而損傷形狀近似為菱形。（3）對于試件噴鋁涂層防護的層合板，因為鋁是各向同性的材料，如圖6（c）所示，在各個方向上電導率相等，所以其損傷形狀近似為圓形。由于鋁材的電導率遠高于CFRP層合板，所以在組合雷電流注入后會被高電導率的鋁層迅速傳導，對層合板的損傷較少。層合板也并未明顯發生沿纖維方向的損傷拓展。

1.3.2層合板損傷面積和損傷深度

使用像素分析法對無損檢測圖像進行分析，可以得到不同層合板各層的損傷面積和損傷深度，以此對比組合雷電流對層合板的損傷。

從圖7各層損傷面積和圖8損傷深度可以看出：（1）對于三種不同層合板注入D+B+C*組合雷電流波形時，噴鋁涂層的損傷面積、損傷深度最小、銅網次之，表明噴鋁涂層對CFRP層合板的保護較好。（2）由圖7可知，銅網防護的層合板金屬防護層損傷面積為1689.53mm2，第一層層合板損傷面積為943.45mm2，損傷面積減少了746.08mm2，約為44%；噴鋁涂層防護的層合板金屬防護層損傷面積為844.02mm2，第一層層合板損傷面積為442.26mm2，損傷面積減少了401.76mm2，約為48%。（3）由圖8可知，對于損傷深度來說，無防護的CFRP層合板損傷深度達到第9層（1.09mm）；銅網防護的CFRP層合板損傷深度達到第5層（0.78mm）；而對于噴鋁涂層的CFRP層合板損傷深度達到第三層（0.43mm）。

對于金屬銅網和噴鋁涂層防護的CFRP層合板，在損傷深度和各層損傷面積上，噴鋁涂層防護效果優于金屬銅網。雖然金屬銅的電導率高于金屬鋁的電導率，但是銅網存在大量空隙，單位面積防護層熔化、升華鋁層會吸收更多的熱量。

2復合材料層合板雷電防護仿真研究

2.1數值分析方法

雷電流注入時，CFRP層合板中的電場由Maxwell方程表征，積分表達式為：

雷電流組合波形在模型上表面中心點注入，定義復合材料、銅和鋁材料屬性[14]，仿真邊界條件設置如圖9所示。

2.3仿真結果分析

2.3.1電熱耦合分析結果

對無防護CFRP層合板注入D+B+C*雷電流組合波形，各層溫度分布如圖10所示。CFRP層合板雷電流注入后溫度的分布與電流和電導率、熱導率的正交各向異性相關。表層溫度分布沿45°纖維方向呈中間窄、兩端較寬的條帶狀分布。第2～6層溫度場呈面積逐漸減少的橢圓形，并且橢圓的方向與上一層纖維方向有相關性；第7層可以看出溫度高于3000℃的紅色區域以中心對稱的近似圓形出現，隨后變為中心對稱的半圓形，最后形成橢圓形。

雷擊后的無防護CFRP層合板C掃描圖像溫度場分布比圖6第1層損傷面積要大，這是因為雷電流注入是多物理場耦合的結果，試驗中除焦耳熱之外還有沖擊力影響。

由仿真各層溫度場分布與C掃描結果對比觀察到，各層溫度發展方向與C描掃結果損傷拓展趨勢一致且樹脂熱解（300～500℃）形狀都呈橢圓形分布，這也表明了仿真結果的有效性。

噴鋁涂層防護的CFRP層合板電熱耦合仿真分析結果如圖11所示。在損傷的范圍與形狀上，仿真結果與試驗結果基本吻合，圖中紅色部分溫度高于2467℃，鋁層在此發生汽化，帶走大部分熱量，而剩余的熱量會向下傳遞到層合板上。噴涂鋁層的損傷為近似的圓形，這主要因為鋁為各相同性的材料，雷電流在注入過程中，均勻向四周擴散。

銅網防護的CFRP層合板電熱耦合分析結果如圖12所示。銅網防護的CFRP層合板沒有完全顯示溫度分布，但是銅網上的溫度分布有高度對稱性，損傷近似為菱形；隨著層數的增加溫度分布也完全呈現出來，損傷形狀逐漸趨向菱形。

由于銅網網格為規則的菱形，其具有各向異性，雷電流注入到銅網后電流主要沿著菱形銅網的長截距方向傳導，因此位于雷電2區的銅網防護層合板應該將菱形銅網的長截距方向調整為與雷電流導出方向一致。

由圖13可知，對無防護、銅網防護和噴鋁涂層防護的CFRP層合板注入D+B+C*雷電流組合波形后CFRP層合板損傷深度分別為0.906mm、0.702mm和0.326mm，即銅網和噴鋁涂層有著很好的雷擊防護效果。仿真的損傷深度與試驗結果具有較好的一致性，但是仿真的損傷深度略小于試驗結果，這是因為實際試驗中CFRP層合板除了雷電流的焦耳熱效應，還會受到其他沖擊效應的影響。

2.3.2電流密度分析結果

注入的高峰值D波在3μs會達到峰值電流100kA，此時的無防護層合板各層電流密度模如圖14所示。

由于第1層上電流傳導不會受到其他鋪層的干擾，所以在3μs時刻下，電流的分布與首層纖維方向有很強的相關性，沿45°方向分布而且溫度場分布也沿45°方向。可以發現第5層電流密度高于其他層。這是因為在第1～4層發生纖維斷裂的破壞，使得雷電流向下傳遞，3μs時雷電流傳遞到第5層。

雷電流從纖維方向45°的第1層向下傳遞，傳導到第2層的纖維方向為0°，隨著第1層沿45°方向進一步損傷，由第1層向第2層傳遞的電流呈45°方向，第2層的電流受到第1層的影響，電流密度分布在0°～45°之間。

對于3μs時刻銅網防護和噴鋁涂層防護溫度分布和電流密度如圖15所示。

由于噴鋁涂層是各向同性，所以電流在注入點處均勻傳遞，銅網為各向異性，在防護層上電流和溫度近似呈菱形分布。在3μs時，銅網和鋁層均達到升華溫度，但是由于損傷處的電導率小于防護層的電導率，所以電流依然會在防護層上傳遞。

3結論

通過研究，可以得出以下結論：

（1）在雷電流組合波形D+B+C*組合電流的沖擊下，CFRP層合板出現樹脂燒蝕、分層、纖維斷裂等損傷，損傷沿纖維方向分布。

（2）當使用噴鋁涂層和銅網防護時，層合板損傷會大大減少。銅網形狀為規則的菱形，在鋪層方向具有各向異性，而噴鋁涂層具有的各向同性電流均勻向四周拓展。相同厚度的鋁層和銅網，噴鋁涂層的防護性能更好，由鋁層到層合板，損傷面積減少達到48%，損傷厚度為0.43mm。銅網防護的層合板位于雷電1區和3區時，應該將菱形銅網長截距方向與雷電流導出方向一致。對于無防護、銅網防護和噴鋁涂層防護的CFRP層合板雷擊后的損傷深度，仿真結果略小于試驗結果，具有較好的一致性。

（3）損傷趨勢與鋪層方向、CFRP復合材料各向異性材料屬性高度相關。在無防護層合板中，當上一次碳纖維斷裂后電流進入到下一層時，上一鋪層電流密度分布會影響到下一層的溫度拓展。噴鋁涂層和銅網防護的層合板，當防護層溫度達到升華溫度時，周圍的電導率依然大于損傷區域電導率所以電流不會向無防護層合板第一層向下傳遞，會繼續在防護層上傳遞。

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Simulation and Experimental Research on Lightning Protection Characteristics of Carbon Fiber Composites

Hu Jing1，Gong Hanlin1，Si Xiaoliang2，Sun Bin1

1. Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China

2. Hefei Aerospace Electric Physics Technology Co.，Ltd.，Hefei 230031，China

Abstract： In order to study the lightning damage characteristics of Carbon Fiber Reinforced Plastics（CFRP） laminates under different protection modes， this paper focuses on the combined waveforms of D+B+C* lightning current injected into three CFRP laminates with no protection， aluminum spray coating protection and copper mesh protection. The damage characteristics of CFRP under different protection methods are studied by observing the damage area， C-scan detection， coupled with electrothermal coupling and current density distribution simulation. The results show that the damage types of CFRP include resin ablative， fiber fracture and lamination. After the composite waveforms were injected， the damage of the non-protective laminates along the fiber direction is approximately round in the aluminum coating and rhomboidal in the copper mesh. Moreover， the aluminum coating has the best lightning protection effect on CFRP， the damage area is 844.02mm2and the damage depth is 0.48mm. The distribution of current density has a strong correlation with the damage area， and the upper current density will affect the temperature expansion of the lower layer.

Key Words： composites； lightning current injection test； protection mode； electrothermal coupling； current density

3971500338212