雷电流A分量作用下碳纤维增强聚合物基复合材料的损伤研究①

朱雪蒙,常新龙,何相勇,胡 宽,杜鸣心

(1.火箭军工程大学 导弹工程学院,西安 710025;2.西安爱邦电磁技术有限责任公司,西安 710077)

0 引言

碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP)具有高强度、高模量、低密度的特性,在结构轻量性应用方面具有潜在的优异价值,广泛应用在火箭发动机壳体、整流罩、飞机机身、机翼蒙皮等结构上,已逐步发展为航空航天领域的主结构材料[1-2]。碳纤维增强复合材料因其相对较低的电导率和各向异性,在遭遇雷击时会出现树脂烧蚀、纤维断裂等不可逆转损伤[3-4],严重威胁飞行器飞行安全。因此,关于碳纤维增强复合材料的雷击损伤研究十分重要。

国内外研究人员围绕碳纤维增强复合材料雷击损伤问题进行了大量探索工作[5-9]。HIRANO等[10]认为雷击下CFRP的损伤可分为纤维损伤、树脂劣化和内部分层三种模式。损伤演化受复合材料各向异性的电热物理性能影响,电流峰值与损伤程度密切相关。SUN等[11]利用西安交通大学多重连续雷击测试系统探究了不同组合时序电流分量下CFRP的损伤特性,发现虽然单分量与该分量处于多重组合电流分量中时造成的雷击损伤效果存在较大差异,且前序电流分量的注入对后序电流分量的作用也有影响,但损伤模式没有变化。人工模拟雷击试验需要在短时间内释放极大能量,对试验设备、环境和人员具有较高要求,试验成本也相应提高。因此,数值模拟方式研究复合材料雷击损伤成为主流[12-14]。OGASAWARA等[15]最早建立了雷电流作用下复合材料的电-热耦合模型,根据热重分析实验,评估300～600 ℃的CFRP的内部损伤,估计的内部损伤面积与实验结果一致,且厚度方向电导率与温度之间的关系对数值模拟影响较大。……