留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

碳纤维增强银粉改性树脂复合材料的雷击损伤效应

李斌 常飞 肖尧 李曙林 孙晋茹

李斌, 常飞, 肖尧, 等. 碳纤维增强银粉改性树脂复合材料的雷击损伤效应[J]. 复合材料学报, 2020, 37(8): 1911-1920 doi:  10.13801/j.cnki.fhclxb.20191118.002
引用本文: 李斌, 常飞, 肖尧, 等. 碳纤维增强银粉改性树脂复合材料的雷击损伤效应[J]. 复合材料学报, 2020, 37(8): 1911-1920 doi:  10.13801/j.cnki.fhclxb.20191118.002
Bin LI, Fei CHANG, Yao XIAO, Shulin LI, Jinru SUN. Lightning damage effects of carbon fiber reinforced resin modified by silver powder[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2020, 37(8): 1911-1920. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191118.002
Citation: Bin LI, Fei CHANG, Yao XIAO, Shulin LI, Jinru SUN. Lightning damage effects of carbon fiber reinforced resin modified by silver powder[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2020, 37(8): 1911-1920. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191118.002

碳纤维增强银粉改性树脂复合材料的雷击损伤效应

doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191118.002
基金项目: 国家自然科学基金(51477132)
详细信息
    通讯作者:

    肖尧,硕士,讲师,研究方向为航空复合材料防雷击与防除冰 E-mail:624732051@qq.com

  • 中图分类号: TB332;V258

Lightning damage effects of carbon fiber reinforced resin modified by silver powder

  • 摘要: 针对碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料中树脂电阻大,在雷电流作用下会产生大量焦耳热造成雷击损伤的短板,探索通过增强基体的导电性来解决这一问题。为实现对CFRP复合材料的改性,在其环氧树脂浆料中加入了以Ag粉为主的导电填料,使改性CFRP复合材料层合板沿厚度方向的电导率提高217.30倍。采用不同峰值的单一雷电流D分量分别对改性及未改性CFRP复合材料层合板试件进行雷击损伤实验,通过损伤区域超声C扫描图像、试件残余温度场和仿真热解损伤的对比,分析基体改性对CFRP复合材料雷击损伤的防护机制。结果表明:通过Ag粉改性能有效提高CFRP复合材料层合板的电导率,且在厚度方向上的改性效果最佳;在峰值电流分别为20 kA、40 kA和60 kA的条件下,改性CFRP复合材料层合板的损伤面积分别下降87.28%、77.82%和88.59%,损伤深度分别增加147.06%、130.65%和119.72%;以损伤体积为最终指标,则Ag粉改性基体能有效降低CFRP复合材料的雷击损伤,其防护机制是通过减少雷电流作用下的高温区域面积和升温幅度来降低热解和爆炸冲击实现。
  • 图  1  Ag粉改性前后碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料层合板外观

    Figure  1.  Appearance of carbon fiber reinforced resin polymer(CFRP) composite laminates before and after Ag powder modification

    图  2  雷电发生平台及主回路原理图

    Figure  2.  Lightning generation and diagram of major loop

    图  3  实验雷电流波形

    Figure  3.  Test waveform of impulse current

    图  4  基体改性和未改性T700/E-51 CFRP复合材料层合板试件表观损伤情况

    Figure  4.  Surface damage of modified and unmodified T700/E-51 CFRP composite laminate specimens

    图  5  基体改性和未改性T700/E-51 CFRP复合材料层合板试件损伤超声C扫描图像

    Figure  5.  Images of damage via C-scan of modified and unmodified T700/E-51 CFRP composite laminate specimens

    图  6  CFRP复合材料层合板内部雷击损伤形态[17]

    Figure  6.  Internal lightning damage pattern of CFRP composite laminate[17]

    图  7  CFRP复合材料层合板雷击损伤仿真三维图

    Figure  7.  3D simulation image of lightning damage of CFRP composite laminate

    图  8  A3和B3试件红外温度场(℃)

    Figure  8.  Infrared temperature fields of A3 and B3 specimens(℃)

    图  9  CFRP复合材料层合板有限元模型

    Figure  9.  Finite element analysis model of CFRP composite laminate

    图  10  基体改性和未改性T700/E-51 CFRP复合材料层合板试件热解损伤仿真结果

    Figure  10.  Pyrolytic damage simulation results of modified and unmodified T700/E-51 CFRP composite laminate specimens

    图  11  银粉改性和未改性CFRP复合材料层合板试件损伤、热解和防护效果对比

    Figure  11.  Comparison of damage, pyrolysis and protecting effects of modified and unmodified CFRP composite laminate specimens

    表  1  基体改性和未改性T700/E-51层合板不同方向的电导率对比

    Table  1.   Comparison of electric conductivities between modified and unmodified T700/E-51 laminates

    Conductivity${\sigma _X}$/(S·m−1)${\sigma _Y}$/(S·m−1)${\sigma _Z}$/(S·m−1)
    Unmodified 4 259.16 2 344.73 1.81
    Modified 25 968.93 2 2033.60 395.13
    Notes: ${\sigma _X}$—Conductivity along fiber direction; ${\sigma _Y}$—Conductivity perpendicular to fiber direction; ${\sigma _Z}$—Conductivity along the thickness direction.
    下载: 导出CSV

    表  2  雷击实验参数

    Table  2.   Experimental parameters of lightning strike

    Number${I_{\rm{P}}}$/kA${A_{\rm{I}}}$/(A2·s)${Q_{\rm{I}}}$/C
    A1 21.25 19 208.58 1.53
    B1 22.45 33 882.18 2.72
    A2 41.86 108 509.65 4.68
    B2 43.43 160 366.25 6.90
    A3 56.31 260 248.15 7.90
    B3 59.45 380 479.99 11.27
    Notes: ${I_{\rm{P}}}$—Peak current; ${A_{\rm{I}}}$—Action integral; ${Q_{\rm{I}}}$—Quantity of electricity; A1, A2, A3—Unmodified T700/E-51 laminates; B1, B2, B3—Modified T700/E-51 laminates.
    下载: 导出CSV

    表  3  基体改性和未改性T700/E-51 CFRP复合材料层合板在单位电流参数下的损伤量

    Table  3.   Damage amount of modified and unmodified T700/E-51 CFRP composite laminate per unit current parameter

    NumberQV/AI/(10−3mm3·A−2·s−1)DV/QI/(mm3·C−1)
    A1 1.020898 12.81699
    B1 0.181806 2.264706
    A2 0.910426 21.10897
    B2 0.315091 7.323188
    A3 5.474506 180.3456
    B3 0.938919 31.69831
    Note: ${D_{\rm{V}}}$—Volume of damage.
    下载: 导出CSV
  • [1] 杜善义. 先进复合材料与航空航天[J]. 复合材料学报, 2007, 24(1):1-12. doi:  10.3321/j.issn:1000-3851.2007.01.001

    DU Shanyi. Advanced composite materials and aerospace engineering[J]. Acta Materiae Compositae Sinica,2007,24(1):1-12(in Chinese). doi:  10.3321/j.issn:1000-3851.2007.01.001
    [2] 益小苏, 曹正华, 李宏运, 等. 航空复合材料技术[M]. 北京: 航空工业出版社, 2013: 3-14.

    YI Xiaosu, CAO Zhenghua, LI Hongyun, et al. Aeronautical composite technology[M]. Beijing: Aviation Industry Press, 2013: 3-14 (in Chinese).
    [3] CHRISTOS K. Design and analysis of composite structures: With applications to aerospace structures[M]. 1st ed. New Jersey: John Wiley & Sons Ltd, 2013: 1-17.
    [4] 王富生, 岳珠峰, 刘志强, 等. 飞机复合材料结构雷击损伤评估和防护设计[M]. 北京: 科学出版社, 2016: 1-3.

    WANG Fusheng, YUE Zhufeng, LIU Zhiqiang, et al. Lighting damage assessment and protection design for aircraft composite structure[M]. Beijing: Science Press, 2016: 1-3(in Chinese).
    [5] 赵金龙, 陈晓宁, 耿勇, 等. 浅析飞机复合材料雷击防护措施与实验[J]. 玻璃钢/复合材料, 2013(9):22-25.

    ZHAO Jinlong, CHEN Xiaoning, GENG Yong, et al. Measures and test of lighting protection of airplane composite meterials[J]. Fiber Reinforced Plastics/Composites,2013(9):22-25(in Chinese).
    [6] WANG Yeqing. Thermal ablation in fiber reinforced composite laminates subjected to continuing lightning current[C]. 57th AIAA/ASCE/ AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference. San Diego: AIAA, 2016.
    [7] 丁宁. 复合材料雷击烧蚀损伤分析及剩余强度评估[D]. 西安: 西北工业大学, 2013.

    DING Ning. Ablative damage analysis and residual strength evaluation of composite suffered from lighting strike[D]. Xi’an: Northwestern Polytechnical University, 2013(in Chinese).
    [8] HIRANO Y, KATSUMATA S, IWAHORI Y, et al. Artificial lighting testing on graphite/epoxy composite laminate[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2010, 41(10): 1461-1470.
    [9] 尹俊杰. 雷击电-热-力耦合作用下复合材料损伤与力学性能退化研究[D]. 西安: 空军工程大学, 2017.

    YIN Junjie. Composite lighting damage and mechanical property degradation under lightning strike electrical-thermal-machanical coupling effects[D]. Xi’an: Air Force Engineering University, 2017(in Chinese).
    [10] 孙晋茹, 姚学玲, 田向渝, 等. 碳纤维增强型复合材料在非破坏雷电流脉冲下的动态导电特性[J]. 西安交通大学学报, 2019, 53(2):80-87.

    SUN Jinru, YAO Xueling, TIAN Xiangyu, et al. Dynamic electrical properties of carbon fiber reinforced polymer subjected to no-destructive lighting impulse[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University,2019,53(2):80-87(in Chinese).
    [11] 肖尧, 李曙林, 王育虔, 等. 复合材料电导率对雷击烧蚀损伤程度的影响[J]. 航空材料学报, 2018, 38(5):123-131. doi:  10.11868/j.issn.1005-5053.2018.000037

    XIAO Yao, LI Shulin, WANG Yuqian, et al. Influence of electrical conductivity of composites on ablation damage degree subjected to lightning strike[J]. Journal of Aeronautical Materials,2018,38(5):123-131(in Chinese). doi:  10.11868/j.issn.1005-5053.2018.000037
    [12] Society of Automotive Engineer. Aircraft lighting environment and related test waveforms: SAE APR 5412—2005[S]. London: SAE International, 2005.
    [13] 孙晋茹, 姚学玲, 李亚丰, 等. 碳纤维增强树脂基复合材料在多重连续雷电流冲击下的损伤特性[J]. 复合材料学报, 2019, 36(12):2764-2771.

    SUN Jinru, YAO Xueling, LI Yafeng, et al. Damage properties of carbon fiber reinforced polymer subjected to multiple continuous lightning current strikes[J]. Acta Materiae Compositae Sinica,2019,36(12):2764-2771(in Chinese).
    [14] WANG Y, ZHUPANSKA O I. Lightning Strike thermal damage model for glass fiber reinforced polymer matrix composites and its application to wind turbine blades[J]. Composite Structures,2015,132:1182-1191. doi:  10.1016/j.compstruct.2015.07.027
    [15] American Society for Testing Materials. Standard test method for compressive residual strength properties of damaged polymer matrix composite plates: ASTM D7137[S]. Philadelphia: ASTM International, 2014.
    [16] 肖尧, 李曙林, 常飞, 等. 一种用于改性碳纤维复合材料层压板的导电环氧树脂: 中国, ZL 201810727193.9[P]. 2019-01-11.

    XIAO Yao, LI Shulin, CHANG Fei, et al. Conductive epoxy resin for modified carbon fiber composite laminated: China, ZL 201810727193.9[P]. 2019-01-11(in Chinese).
    [17] 郭云力. 碳纤维增强树脂基复合材料的雷击防护[D]. 济南: 山东大学, 2019.

    GUO Y L. Lightning strike protection of carbon fiber reinforced polymer composites[D]. Ji'nan: Shandong University, 2019(in Chinese).
    [18] 肖尧. 复合材料基体改性与雷击损伤特性研究[D]. 西安: 空军工程大学, 2018.

    XIAO Yao. Study on matrix modification and lightning damage characteristics of composite[D]. Xi’an: Air Force Engineering University, 2018(in Chinese).
    [19] YIN J J, LI S L, YAO X L, et al. Lightning strike ablation damage characteristic analysis for carbon fiber/epoxy composite laminate with fastener[J]. Applied Composite Materials,2016,23(4):821-837. doi:  10.1007/s10443-016-9487-2
    [20] CMH-17协调委员会. 复合材料手册-第1卷[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 2014: 305-306.

    CMH-17 Coordination Committee. Composite material handbook-1[M]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University Press, 2014: 305-306(in Chinese).
    [21] 段泽民, 司晓亮, 孙安宏, 等. 航空器雷电防护技术[M]. 北京: 航空工业出版社, 2013: 267-273.

    DUAN Zemin, SI Xiaoliang, SUN Anhong, et al. Aircraft lightning protection technology[M]. Beijing: Aviation Industry Press, 2013: 267-273 (in Chinese).
  • [1] 段瑛涛, 武肖鹏, 王智文, 敬敏, 栗娜, 刘强, 宁慧铭, 胡宁.  碳纤维增强树脂复合材料-热成型钢超混杂层合板层间力学性能, 复合材料学报. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200215.002
    [2] 杨旭东, 安涛, 冯晓琳, 邹田春, 纵荣荣.  泡沫铝填充碳纤维增强树脂复合材料薄壁管的压缩变形行为与吸能特性, 复合材料学报. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191206.002
    [3] 史俊伟, 刘松平, 荀国立, 杨刚.  孔隙对碳纤维增强环氧树脂复合材料超声衰减系数及压缩性能的影响, 复合材料学报. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191008.001
    [4] 谢波涛, 高亮, 江帅, 李梦军.  含孔玻璃纤维/环氧树脂复合材料-铝合金层板的拉伸损伤行为与热暴露响应, 复合材料学报.
    [5] 王春红, 左祺, 支中祥, 徐磊, SARANIZakaria, SHERAZHussain Siddique Yousfani.  聚乙烯醇乳液改性对汉麻秸秆纤维增强水泥基复合材料性能影响, 复合材料学报.
    [6] 万陶磊, 常俊杰, 曾雪峰, 李媛媛.  基于经验模态分解和相关系数对玻璃纤维增强聚合物复合材料板的损伤识别及扫查成像, 复合材料学报. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191031.003
    [7] 张荣华, 史可宇, 李硕, 张一帆.  平纹编织碳纤维增强树脂复合材料离散电导率建模方法, 复合材料学报.
    [8] 刘新, 陈铎, 何辉永, 孙涛, 武湛君.  热塑性颗粒-无机粒子协同增韧碳纤维增强环氧树脂复合材料, 复合材料学报. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191113.006
    [9] 陈丁丁, 朱萌, 胡其高, 王曼漪, 王蕊.  含拼接铺层碳纤维增强树脂复合材料拉伸破坏机制, 复合材料学报. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190822.001
    [10] 曹玉贵, 赵国旭, 尹亚运.  基于广义回归神经网络的纤维增强聚合物复合材料约束损伤混凝土强度预测, 复合材料学报.
    [11] 胡晓兰, 周川, 代少伟, 刘文军, 李伟东, 周玉敬, 邱虹, 白华.  氧化石墨烯改性不同表面性质的碳纤维/环氧树脂复合材料的微观形貌与动态热力学性能, 复合材料学报. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191021.001
    [12] 王遥, 曹东风, 胡海晓, 冀运东, 宋培豪, 李书欣.  单螺栓修复对含冲击损伤碳纤维/环氧树脂复合材料层合板压缩承载能力影响的实验研究, 复合材料学报.
    [13] 刘文军, 严建龙, 周川, 李伟东, 周玉敬, 邱虹, 白华, 胡晓兰.  氧化石墨烯改性碳纤维/环氧树脂复合材料的湿热性能及微观形貌, 复合材料学报.
    [14] 吴楠, 郝旭峰, 史耀辉, 鞠博文, 钱元, 蔡登安, 周光明.  高精度碳纤维增强树脂复合材料夹层天线面板热变形影响参数仿真与实验, 复合材料学报. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191107.002
    [15] 李娜, 李晓屿, 刘丽, 汪路遥, 徐少东, 杨建成, 黄玉东, 王彩凤.  电泳沉积氧化石墨烯的碳纤维表面改性及其增强环氧树脂复合材料界面性能, 复合材料学报. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191120.001
    [16] 栾建泽, 宋学伟, 那景新, 谭伟, 慕文龙.  服役温度对铝合金-碳纤维增强树脂复合材料粘接接头准静态失效的影响, 复合材料学报. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190708.001
    [17] 朱德举, 汤兴.  基于犰狳外壳仿生的SiC-超高分子量聚乙烯柔性防护板的试验测试和有限元模拟, 复合材料学报. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200121.001
    [18] 孙颖颖, 周璐瑶, 韩宇, 崔柳.  气泡和气隙影响六方氮化硼/环氧树脂复合材料导热性能的有限元模拟, 复合材料学报. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200111.004
    [19] 朱德举, 彭恋.  SiC-超高分子量聚乙烯仿生柔性叠层结构防弹性能关键影响因素的仿真与试验, 复合材料学报.
    [20] 李云芳, 潘俊臣, 郎风超, 杨诗婷, 姜爱峰, 李继军.  碳纤维增强树脂复合材料细观蠕变性能, 复合材料学报. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191118.001
  • 加载中
图(11) / 表ll (3)
计量
  • 文章访问数:  63
  • HTML全文浏览量:  35
  • PDF下载量:  3
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-18
  • 录用日期:  2019-11-11
  • 网络出版日期:  2019-11-18
  • 刊出日期:  2020-08-31

目录

    /

    返回文章
    返回