雷电流冲击导致的复合材料紧固结构火花放电形成机制与控制方法研究

Lightning impulse currents often generate spark discharge on the carbon reinforced composite fasteners of aircraft fuel tanks. Such spark discharge could ignite aircraft fuel, and threaten the air safety. The mechanism and suppression methods of the spark discharging were investigated. This study include: (1) Investigating the dielectric and electrical behaviors of the carbon fiber reinforced composites under the Synergistic action of electrical field and thermal field, by which to reveal the nonlinear variation of the fastener impedances; (2) Studying the spark discharging characteristics on the fasteners with different carbon reinforced composite to reveal the key material factors of affecting the discharging properties of the fasteners; (3) Modeling the electrical-thermal coupling processes of carbon reinforced composite fasteners to clarify the mechanism of the spark discharging on the fasteners; and (4) Seeking the suppression methods of.spark discharge on the fasteners. Research results will provide the theoretical and experimental basis for the lightning protection of carbon reinforced composite fuel tanks of aircrafts.

飞机遭受雷击，燃油箱上的碳纤维复合材料紧固结构极易发生火花放电，引燃飞机燃油，威胁飞行安全。本项目针对碳纤维复合材料紧固结构火花放电的形成机制与抑制方法，开展如下研究：（1）研究在电场和温度的协同作用下，碳纤维复合材料介电和电导特性的变化行为，找到雷电流冲击作用下紧固结构各部位阻抗的非线性变化规律；（2）探究碳纤维复合材料的表面及其内部微观结构对紧固结构火花放电的影响规律，寻找影响紧固结构火花放电行为的关键材料因素；（3）建立雷电流冲击时碳纤维复合材料紧固结构的电-热耦合瞬态分析模型，阐明紧固结构火花放电的形成机制；（4）利用电-热耦合瞬态分析模型，结合雷电流冲击试验，寻找碳纤维复合材料紧固结构火花放电的方法。项目研究成果可为飞机碳纤维复合材料燃油箱的雷电防护，提供试验基础与理论依据。

针对碳纤维复合材料(CFRP)雷电流损伤和紧固结构火花放电的形成机制，主要开展了如下的研究工作。(1)自主设计搭建了CFRP雷击试验平台，冲击电流发生器的额定电压为80 kV，平台最高可以产生幅值为100 kA、波形为8/20 μs的雷电流。(2)制备了碳纤维环氧树脂复合浇筑试样，并对材料开展了大电流温升试验、雷电流冲击试验及介电性能测试。通过改变碳纤维束的不同排列方式，建立了碳纤维与环氧树脂多种复合浇筑试样。(3)开展了含紧固件CFRP雷电流损伤试验工作，对紧固结构火花放电的形成机制展开分析并提出了相关的控制方法。(4)开展了含紧固件CFRP电热耦合的仿真，仿真计算了含紧固件CFRP在雷电冲击下的电场和温度场的变化规律。(5)开展了气体膨胀对CFRP雷电流损伤的影响研究，建立了电-热-力多元耦合的物理模型，模型可准确预测碳纤维的雷电流损伤面积。本研究针对含紧固件CFRP雷电流损伤和紧固件的火花放电开展了试验和仿真分析，详细研究了紧固件对CFRP雷电流损伤的影响规律，并提出了电-热-力多元耦合物理模型。