碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料雷擊損傷的研究.pdf

1、碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料(CFRP,CarbonFiberReinforcedPolymer)是一種新型復(fù)合材料，具有高強度，低密度，耐腐蝕等特點，在航空航天部門應(yīng)用越來越多。尤其在商務(wù)飛機中，由于碳纖維樹脂基復(fù)合材料優(yōu)異的性能使用量越來越高。飛機只能防雷不能避雷，有關(guān)資料統(tǒng)計，商用飛機每年都有一次遭受雷擊的可能，尤其飛機在多雨的地區(qū)高空飛行，遭受雷擊的概率更大。CFRP導(dǎo)電性能不如金屬材料，遭遇雷擊可能對飛機安全造成更大威脅，商務(wù)飛機

2、上大量應(yīng)用CFRP材料的安全性一直是航空航天部門比較關(guān)注的問題。我國要實現(xiàn)“大飛機”計劃，大規(guī)模使用CFRP材料是一項關(guān)鍵技術(shù)，研究碳纖維復(fù)合材料的雷擊損傷問題為保證其在航空航天中的應(yīng)用安全具有重要的意義。
　　本文通過有限元數(shù)值計算和人工模擬雷擊實驗研究了碳纖維復(fù)合材料雷擊損傷的過程，通過數(shù)值計算和實驗相結(jié)合，研究CFRP雷擊損傷的溫度場，熱解度，損傷因素和損傷機理。
　　本文基于電熱耦合場有限元分析理論，通過商業(yè)有限元軟

3、件ANSYS建立有限元模型，計算CFRP層合板雷擊后的溫度場分布以及變化規(guī)律。先計算雷擊過程的溫度場，然后通過繼承溫度場，計算雷擊過后散熱的溫度場。通過溫度場的繼承解決了跨時間尺度難收斂的問題。其次建立了CFRP熱解動力學模型，通過APDL編寫子程序，把有限元溫度場的計算結(jié)果和熱分解動力學方程關(guān)聯(lián)起來，實現(xiàn)了ANSYS對材料熱解度的計算。然后找到了計算復(fù)合材料雷擊損傷的方法，用等溫線和熱解度分別來計算雷擊損傷的面積和深度，和實驗吻合較好

4、。并通過雷擊損傷的面積和深度來研究影響CFRP雷擊損傷的各種因素及其之間的關(guān)系。主要結(jié)論如下:(1)CFRP材料遭受雷擊后，表層損傷最為嚴重，呈現(xiàn)45°的狹長條帶損傷區(qū)，CFRP每個鋪層的溫度場除了取決于本鋪層自身產(chǎn)生的焦耳熱外，也受到臨近鋪層熱量傳導(dǎo)的影響，溫度場形貌體現(xiàn)了本鋪層和臨近鋪層碳纖維的鋪層角的特征;(2)CFRP雷擊電流結(jié)束后的散熱階段，溫度場高溫區(qū)域并無明顯增加，溫度場等溫線形狀逐漸變成橢圓形，最后變成圓形，直至退縮消失

5、;(3)CFRP雷擊點溫度先快速上升，然后略微降低，但是雷擊過程的30μs會維持在3000℃以上，30s后幾乎降低到室溫;(4)CFRP層合板最高溫度在雷擊點深度路徑上，雷擊過程中CFRP材料由外到內(nèi)升溫，高溫區(qū)向深度方向擴展，雷擊結(jié)束后的散熱階段材料內(nèi)部溫度會暫時高于外部，30s后整個材料溫度幾乎降低到室溫狀態(tài);(5)CFRP材料體系的熱解度與材料溫度、升溫速率和熱解時間有關(guān)，溫度越高、熱解時間越長熱解度越大，提高升溫速率對熱解有滯后

6、性;(6)CFRP雷擊損傷與多方面因素有關(guān)，從雷電電學參數(shù)上看，主要有電流峰值、波形、電荷量、作用積分等，從材料學上看，主要是CFRP的電導(dǎo)率、厚度、纖維體積分數(shù)、尺寸等。其中作用積分和電導(dǎo)率是影響CFRP損傷程度的最主要外因和內(nèi)因。為了降低碳纖維復(fù)合材料雷擊損傷面積和深度，提高復(fù)合材料的電導(dǎo)率是最重要的方式。
　　本文通過人工模擬雷擊實驗對CFRP雷擊過程進行研究，首先制作了CFRP結(jié)構(gòu)件，按照國標測量了碳纖維體積分數(shù)，設(shè)計了人

7、工雷擊測試試驗臺，利用沖擊電流發(fā)生器模擬雷電電流，實現(xiàn)了對CFRP的人工雷擊測試，通過超聲C掃描和超聲B掃描對雷擊損傷進行了檢測，利用掃描電子顯微鏡對雷擊損傷微觀形貌進行分析。結(jié)論如下:(1)碳纖維遭受模擬雷電后，會發(fā)生巨大聲響，纖維斷裂膨起，樹脂分解，產(chǎn)生氣體，層合板會分層，雷擊點處會出現(xiàn)損傷坑;(2)人工模擬雷電的電流峰值對雷擊損傷形貌和面積有很大影響，電流峰值越大，超聲C掃描損傷面積越大，B掃描的損傷深度越大;(3)雷擊損傷微觀形