热固性和热塑性碳纤维复合材料的雷击损伤实测

　　飞机处于万米高空时，由于对流层空气的影响，可能会被雷电击中。有数据显示，飞机平均飞行3000-5000小时，就会被雷电击中一次，虽然频率很低，但是对于飞机乘客来说，一次就会改变一生。科学家们针对这样的情况，会在飞机上设置单独的防雷击装置，同时也会对飞机的各项结构进行实验，以获取更好的避雷方案和结构模型。

　　碳纤维复合材料凭借极好的刚度和强度，在航空航天等领域的应用效果非常出色，多款现役的大飞机和军用飞机上都有碳纤维复合材料的身影。碳纤维复合材料的应用包括蒙皮、襟翼、尾翼，还有飞机中多个次承重结构。如果这些碳纤维零部件在高空被雷电击中，是否可以起到较好的保护作用，保障乘客的安全？文章将介绍2种热固性碳纤维（CF/EP和CF/BMI）和1种热塑性碳纤维（CF/PEEK）复合材料，在模拟雷电场景下的损伤情况。

　　CF/EP、CF/BMI、CF/PEEK层压板模拟雷击损伤

　　雷电对碳纤维复合材料的损伤模式比较复杂，包含物理和化学两种类型，包括撞击、热分解、燃烧、焦耳热、洛仑磁力等。模拟雷击实验中使用脉冲电流发生器对碳纤维环氧树脂（CF/EP）、碳纤维双马来酰胺树脂（CF/BMI）、碳纤维聚醚醚酮树脂（CF/PEEK）3种复合材料层压板进行雷击测试，并使用数码相机观测雷击损坏的宏观状况，再使用高速摄像机观察损坏的微观状况，后续使用超声波技术进行无损检测，热重分析仪对3种碳纤维层压板进行耐热性测试，最后综合各项观测数据对雷击损伤进行科学的评估。

　　1、数码相机观测雷击损坏情况：观察脉冲电流开启后0.1s、0.5s和1.0s阶段，3种碳纤维层压板的实际情况。发现CF/EP通电后立刻出现火焰，0.1s、0.5s和1s时依然可见，3s后火焰消失。相比之下，CFCF/BMI和CF/PEEK层压板在0.1s开始燃烧，但燃烧程度比CF/EP更小，在0.5s后火焰消失，并伴随白烟出现。

　　2、高速摄像机观察雷击损坏状况：对最大脉冲电流分别为40kA和100kA进行观测，在的20μs、50μs和100μs时间上进行标注。当施加40kA的脉冲电流时，随着时间的推移，3种碳纤维层压板都开始从顶部和侧面排放热解气体，CF/EP从电弧附着点沿顶层的横向方向观察到发光，CF/BMI和CF/PEEK中，从电弧附着点观察到径向光发；当施加电流变为100kA时，3种碳纤维层压板立刻在电弧附着点附近产生热解气体，其中CF/EP最为明显，随着时间的推移，3种碳纤维层压板雷击部位出现多个相连的发光点，其中CF/EP的发光点位于顶层的横向方向，CF/BMI和CF/PEEK的发光点位于顶层的纵向方向。

　　3、雷击损伤表面状况：施加40kA脉冲电流下，CF/EP层压板上观察到碳纤维断裂，内层暴露在外，沿着顶层纤维方向（0°）方向观察到电弧附着点的层状升力，并且在顶层的横向方向（90°）上观察到碳纤维的断裂，同时还观察到60mm左右的菱形形状的颜色变化，但层压板背面没有观察到树脂的热分解和碳纤维断裂的情况。施加100kA脉冲电流下，CF/EP层压板从表面开始的几层出现明显分层，内层同样暴露在外，损坏状况较40kA下严重很多。

　　而施加40kA脉冲电流下，CF/BMI和CF/PEEK层压板上电弧附着点附近同样观察到径向碳纤维断裂，碳纤维断裂直径约为45mm,电弧附着点同样存在树脂颜色的变化，变化区域直径约为65mm.而在100kA脉冲电流下，CF/BMI和CF/PEEK的碳纤维断裂直径分别约为50mm和65mm,电弧附着点附近树脂颜色变化区域直径分别约为110mm和115mm.另外在100kA脉冲电流下，CF/BMI的背面有轻微的隆起，而CF/PEEK没有。

　　4、超声波检测雷击部位背面图像：在40kA脉冲电流下，CF/EP层压板距离正面表层1.2mm处发生分层，厚度为10层，而CF/BMI和CF/PEEK均为发现分层的情况；在100kA脉冲电流下，CF/BMI距离背面表层0.2mm处发生分层，厚度为2层，而CF/PEEK仍然没有发生分层。

　　5、热冲分析仪检测层压板热解情况：CF/EP层压板的热分解起始温度为280°C；炭的产率为75%。相比之下，在CF/BMI和CF/PEEK层压板中，热分解的起始温度分别为370°C和530°C,炭产率分别为85%和82%，CF/BMI炭产率偏高是因为其纤维体积分数较高。通过3者的相互对比，发现基体树脂的耐热性和阻燃性都会对雷击损伤有所影响，另外通过以上多项测验数据对比，发现材料的电各向异性、热解气体的用量、电导率、热分解的起始温度、炭产率、层间断裂韧性等因素同样对雷击损伤有所影响。

　　以上测验中，有两种热固性碳纤维层压板（CF/EP和CF/BMI）和一种热塑性碳纤维层压板（CF/PEEK），通过对比实验发现CF/PEEK层压板在雷击损伤中的表现更有优异。聚醚醚酮（PEEK）是目前公认的一种性能极其出色的高性能特种塑料，以此作为基体，与碳纤维进行融合，确实可以制备出性能更为完善的热塑性碳纤维复合材料。不过由于热塑性树脂高温状态下粘性过大，难以充分浸润碳纤维，因此想要驯服它并不是一件容易的事情。目前全球范围内，能够从事该类型热塑性碳纤维复合材料制备的企业并不多，国内就更少了，而智上新材料通过多年的努力，终于攻克了其中的难题。不仅是CF/PEEK,我司还可以制备CF/PPS、CF/PA6等多款连续碳纤维增强的热塑性复合材料。