碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料雷擊損傷的研究.pdf

1、碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料(CFRP,CarbonFiberReinforcedPolymer)是一種新型復(fù)合材料，具有高強(qiáng)度，低密度，耐腐蝕等特點(diǎn)，在航空航天部門(mén)應(yīng)用越來(lái)越多。尤其在商務(wù)飛機(jī)中，由于碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料優(yōu)異的性能使用量越來(lái)越高。飛機(jī)只能防雷不能避雷，有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，商用飛機(jī)每年都有一次遭受雷擊的可能，尤其飛機(jī)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(duì)飛機(jī)安全造成更大威脅，商務(wù)飛機(jī)

2、上大量應(yīng)用CFRP材料的安全性一直是航空航天部門(mén)比較關(guān)注的問(wèn)題。我國(guó)要實(shí)現(xiàn)“大飛機(jī)”計(jì)劃，大規(guī)模使用CFRP材料是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，研究碳纖維復(fù)合材料的雷擊損傷問(wèn)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(guò)有限元數(shù)值計(jì)算和人工模擬雷擊實(shí)驗(yàn)研究了碳纖維復(fù)合材料雷擊損傷的過(guò)程，通過(guò)數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，研究CFRP雷擊損傷的溫度場(chǎng)，熱解度，損傷因素和損傷機(jī)理。
　　本文基于電熱耦合場(chǎng)有限元分析理論，通過(guò)商業(yè)有限元軟

3、件ANSYS建立有限元模型，計(jì)算CFRP層合板雷擊后的溫度場(chǎng)分布以及變化規(guī)律。先計(jì)算雷擊過(guò)程的溫度場(chǎng)，然后通過(guò)繼承溫度場(chǎng)，計(jì)算雷擊過(guò)后散熱的溫度場(chǎng)。通過(guò)溫度場(chǎng)的繼承解決了跨時(shí)間尺度難收斂的問(wèn)題。其次建立了CFRP熱解動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)APDL編寫(xiě)子程序，把有限元溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果和熱分解動(dòng)力學(xué)方程關(guān)聯(lián)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了ANSYS對(duì)材料熱解度的計(jì)算。然后找到了計(jì)算復(fù)合材料雷擊損傷的方法，用等溫線和熱解度分別來(lái)計(jì)算雷擊損傷的面積和深度，和實(shí)驗(yàn)吻合較好

4、。并通過(guò)雷擊損傷的面積和深度來(lái)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(yán)重，呈現(xiàn)45°的狹長(zhǎng)條帶損傷區(qū)，CFRP每個(gè)鋪層的溫度場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)高溫區(qū)域并無(wú)明顯增加，溫度場(chǎng)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(diǎn)溫度先快速上升，然后略微降低，但是雷擊過(guò)程的30μs會(huì)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(diǎn)深度路徑上，雷擊過(guò)程中CFRP材料由外到內(nèi)升溫，高溫區(qū)向深度方向擴(kuò)展，雷擊結(jié)束后的散熱階段材料內(nèi)部溫度會(huì)暫時(shí)高于外部，30s后整個(gè)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(shí)間有關(guān)，溫度越高、熱解時(shí)間越長(zhǎng)熱解度越大，提高升溫速率對(duì)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(xué)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(xué)上看，主要是CFRP的電導(dǎo)率、厚度、纖維體積分?jǐn)?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(guò)人工模擬雷擊實(shí)驗(yàn)對(duì)CFRP雷擊過(guò)程進(jìn)行研究，首先制作了CFRP結(jié)構(gòu)件，按照國(guó)標(biāo)測(cè)量了碳纖維體積分?jǐn)?shù)，設(shè)計(jì)了人

7、工雷擊測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，利用沖擊電流發(fā)生器模擬雷電電流，實(shí)現(xiàn)了對(duì)CFRP的人工雷擊測(cè)試，通過(guò)超聲C掃描和超聲B掃描對(duì)雷擊損傷進(jìn)行了檢測(cè)，利用掃描電子顯微鏡對(duì)雷擊損傷微觀形貌進(jìn)行分析。結(jié)論如下:(1)碳纖維遭受模擬雷電后，會(huì)發(fā)生巨大聲響，纖維斷裂膨起，樹(shù)脂分解，產(chǎn)生氣體，層合板會(huì)分層，雷擊點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)損傷坑;(2)人工模擬雷電的電流峰值對(duì)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