碳纤维复合材料飞机蒙皮结构雷电防护性能表征方法研究

Aimed to the numerical analysis and experimental measurement of the lightning protection ability of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) airplane skins, this project studies the parametric representation method of the lightning protection efficiency under large current injection. Time-domain test systems for surface impedance and surface transfer impedance using impulse input will be established, the influence of the isotropic material and the electro-thermal effect on surface and transfer impedance will be investigated. The efficiency of different lightning protection layers will also be evaluated. With the established impedance mode, electromagnetic coupling with CFRP cabins will be calculated. The research result of this project can provide new test method and criterion for lightning protection materials.

针对CFRP飞机蒙皮结构雷电防护性能分析与实验评估的需要，研究强脉冲电流注入条件下雷电防护效能参数化表征方法。建立基于强脉冲注入的冲击阻抗和表面转移阻抗时域测量系统，研究材料各向异性对测试结果的影响、大电流注入温升效应对材料电磁参数的影响、冲击阻抗和转移阻抗的测试和建模方法、对比不同防护层材料的阻抗差异以及基于转移阻抗模型的CFRP结构舱段内部电磁耦合环境建模分析方法。为发展新的飞机复合材料结构雷电防护性能测试方法和完善雷电防护性能表征参数体系提供支撑。

碳纤维树脂基（CFRP）复合材料在飞机结构中正在得到广泛应用。针对这类材料的雷击防护和屏蔽设计问题，课题研究了材料在大电流温升情况下电参数的变化情况，材料阻抗随频率变化特性及基于表面阻抗和表面转移阻抗的各向异性材料参数化模型描述方法。建立了雷击大电流条件下的温度效应测量系统和电导率测试系统，得到了室温至数值汽化状态下CFRP电导率随温度循环的变化规律，在此基础上实现了对CFRP雷击电热耦合效应的准确预测；提出了各向异性分层结构的INBC模型，可根据逐层各向异性电磁参数建立任意铺层组合的电磁传播模型，为CFRP材料屏蔽性能设计提供了有效手段；实验和仿真研究了交叉铺层结构的宏观电磁特性，结果表明单层各向异性显著的材料通过少量交叉铺层后，各向异性特征不再明显；首创了无条件稳定AH-FDTD分析方法，为实现跨尺度结构的高效分析提供了有效手段，发展了基于该方法的INBC模型。提出模型和测量方法在多家单位的材料研发、测试和雷击防护性能评价中获得应用。