碳纤维复合材料雷击损伤程度及涂层防护效果评价方法研究

Carbon fiber reinforced plastic (CFRP) can decrease the weight of aircraft obviously. But the conductivity of CFRP in depth is extremely lower, and when aircraft flight in all-weather the CFRP structure must withstand severe tests by lightning. In order to solve the key scientific problems of CFRP lightning protection in aircraft, research of CFRP damaged by lightning current and protect coating effect estimation method is proposed in this project.. In this project, the FDTD periodic structure method is combined with finite element method to built the CFRP multi-physics coupling to lightning current analysis model. By this simulation model, the distribution of thermal/EM field in each layer of CFRP laminate is researched, and the CFRP lightning damage multi-physics coupling analysis software is developed. The CFRP lightning current damage integrated test system is built to verify the effectiveness of simulation model. At the same time, the character parameter extraction method of CFRP under intense current and super high temperature is researched. Then the quantitative relations between the CFRP structure parameter, the lightning current waveform and the CFRP damage degree are studied. The protection effect of lightning protection coating which covered in the CFRP structure is explored by simulation and experimental result. At last, the estimation method of CFRP lightning protection coating against lightning current damage is built.. The research results will provide available analyzing method for basic research of aircraft CFRP structure lightning protection. It has important technical value and expansive application in engineering.

碳纤维复合材料可大幅降低飞机自重，但其厚度方向的低电导率特性使得复合材料结构飞机在全天候飞行中面临严峻的雷电防护考验。本项目提出研究复合材料雷击损伤程度及涂层防护效果评价方法，以期解决飞机复合材料结构雷电防护设计上面临的关键科学问题。. 本项目基于FDTD周期结构和有限元法建立复合材料雷击致损多物理场耦合模型，仿真研究雷电流引起的复合材料各层温度场分布，开发复合材料雷击损伤多物理场分析软件。构建复合材料雷击损伤综合测量系统，验证仿真模型的有效性；研究强电流、超高温下复合材料表面参数提取方法；研究复合材料结构、雷电流波形等参数与材料损伤程度的量化关系。通过仿真分析与实验验证结合的方法，探索雷电防护层对复合材料雷击损伤的防护效果，构建复合材料涂层雷电防护效果评价方法。. 本项目研究成果将为复合材料雷电防护基础研究提供有效的分析方法，具有重要的学术价值和广阔的工程应用前景。

本项目围绕碳纤维复合材料（CFRP）雷击直接效应损伤及涂层防护效果问题，主要在以下三个方面开展了研究：（1）CFRP热电耦合仿真研究。基于有限元方法建立了CFRP结构的电-热耦合仿真模型，提出了基于温度场叠加的内部损伤表征方法，开展了雷电流冲击损伤过程的数值模拟研究。研究了不同实验方法、不同冲击电流等作用下CFRP层合板温度场的变化历程，取得了CFRP结构损伤随冲击电流波形、电流强度以及作用积分的变化规律。基于Python语言开发了易于交互的CFRP雷击致损多物理场仿真分析软件。（2）CFRP雷击直接效应作用过程观测及实验研究。依据相关试验标准设计了CFRP雷击损伤实验方案，构建了CFRP雷击损伤实验系统，利用不同参数的冲击电流对不同铺层及尺寸的CFRP进行了雷击损伤测试，分析了试件的可见损伤及内部损伤的成因及变化规律，并与电热耦合分析结果进行了对比，验证了仿真的有效性。根据对实验过程的观察及对CFRP遭受雷击过程后的损伤形式的分析，讨论了CFRP雷击损伤的形成过程。探索了布拉格光纤光栅（FBG）在CFRP雷击直接效应实验中进行温度测量的可行性，实验研究了浪涌防护器件（SPD）在实验系统中的防护作用。（3）CFRP防护涂层雷电防护效果研究。实验和数值仿真相结合研究了CFRP涂层的雷击防护效果，对全喷铝CFRP开展的雷击测试表明，喷铝涂层都能够显著减小CFRP表面的雷击损伤面积，且涂层厚度越大，雷击防护效果越好。基于实验结果，采用随温度变化的材料参数建立了全喷铝及十字形喷铝涂层CFRP结构的电热耦合效应仿真模型，并与实验结果进行对比。利用所建立的模型分析了雷电流作用下喷铝涂层的雷击防护性能，并得到了最优化的防护方案。.通过本项目的研究，加深了对CFRP雷击致损过程的理解和认识，为CFRP雷电防护基础研究提供了有效的分析方法，具有重要的学术价值和广阔的工程应用前景。