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热固性和热塑性碳纤维复合材料的雷击损伤实测

发表时间:2024-04-15 10:43:58  作者:超级管理员 阅读数:114

  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。科学家们为了降低飞机的安全风险,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。

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  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极为出色,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,还有多种次承重结构。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防护作用,保障乘客的安全呢?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。

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  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。

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  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,CF/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。

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  2、高速摄像机观察雷击损坏状况:最大脉冲电流分别为40kA和100kA时进行观测,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。

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  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。

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  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。

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  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。

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  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。通过三者的相互对比,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。

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  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为优异。聚醚醚酮(PEEK)是目前公认的性能极其出色的一种高性能特种塑料,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,终于攻克了这项难题。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。


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