多尺度复合材料防雷击膜及其多场耦合雷击响应机理研究

Aiming on the lightning strike protection mechanism and other related scientific issues of carbon fiber reinforced composite airplanes; we proposed a novel lightning strike protecting technique adopting micro-nano hybrid, conductive-energy absorbing-thermally isolating multifunctional components. A multi-field coupled model and related numerical method of lightning strike will be established to study the sophisticated interactions between the coupled stress-electric-magnetic-temperature fields of lightning. The boundary conditions of the numerical calculation will be determined by the inherent characteristics of lightning phenomenon and the lighting testing data of the lightning strike protected composites. The numerical result will be used to elucidate the lightning damage mechanism and the related lightning strike protecting theory of the composites. Via studying the interfacial physical behaviors and the co-curing reaction kinetics of the conductive-energy absorbing-thermally isolating multifunctional components and the epoxy matrix resin, the physical, chemical and static mechanical properties of the new developed lightning strike protecting composite system will be analyzed. We will also inspect the lightning responding condition of different regions in the composite panels and lightning strike protection material, to design and optimize the resin, dimensions and assembling approach of the multifunctional components. By finish the overall numerical calculation and the high intensity lightning strike test of the novel lightning strike protecting film, we will eventually establish a universal multi-field coupled model for lightning response of composites, and related scientific theories for designing and optimizing the multifunctional lightning strike protecting film, as well as laying the foundation for the leap forward of the Chinese lightning strike protecting technique.

针对复合材料飞机的雷击损伤机理及其雷击防护重大科学问题，本申报提出一种微-纳米多尺度、导电-吸能-隔热多功能组装的新型雷击防护技术。根据雷电特殊的应力-电-磁-温度多场互作特性，建立雷击的多场耦合模型，并通过数值计算分析其原理。根据天然雷电的本征参数和材料的实际雷击试验结果确定计算所需的温度、电、应力等参数，并借助计算结果阐明复合材料的雷击损伤机理和相关防护机制。通过导电-吸能-隔热多种功能组分和环氧树脂的界面物理性能和共固化反应动力学研究，分析新型雷击防护复合材料的物理、化学和静态力学性能。通过剖析复合材料及其雷击防护层各区域的雷击响应状态，设计不同功能组分的配比、尺度和组装方式。通过新型雷击防护复合材料雷击响应的数值计算和大电流雷击试验验证，最终建立一种通用的雷击多场耦合模型，及一套功能与其中物理场一一对应的新型雷击防护膜设计和优化理论，为我国复合材料雷击防护的技术超越发展奠定基础。

现代航空工业大量应用高分子复合材料，带来了天然雷击对飞机结构的损伤问题。现行的针对性解决方案是对复合材料进行表面喷铝、贴金属网等表面金属化处理。但这些方案仍存在增重、工艺相容性低、金属与碳纤维腐蚀等缺陷。.针对上述问题，本项目综合研究天然雷电对复合材料的复合损伤形式及相关原理，用DIGIMAT软件建立了复合材料的电热耦合模型，并基于DIGIMAT模型，建立了用ANSYS软件计算模拟复合材料多场耦合雷击损伤的方法，完成了雷电对复合材料的电-热场耦合损伤研究。结果表明：复合材料在峰值电流100kA的2A区雷击条件下同时受到雷电的直接热辐射和间接焦耳热效应，复合材料基材的损伤深度达到0.5mm。.基于仿真计算的结果，设计了具有隔热/导电两种雷电响应机理的轻质雷击防护胶膜。两种响应机理分别通过低密度的导电/绝热环氧树脂和轻质导电高分子织物实现，针对雷电等离子的直接热辐射和焦耳热进行防护。.采用低密度膨胀石墨和石墨烯混合制成的导电/绝热环氧树脂一方面降低了环氧树脂的电阻至3.7Ω/□，同时可在高温下触发形成隔热层；金属化改性的轻质导电高分子织物面密度仅有32g/m2，表面电阻低于0.06Ω/□。将上述参数导入建立的模型进行仿真计算，经过2A区条件雷击后，材料基体后无损伤。对两种典型航空复合材料的模拟雷击试验测试结果与计算结果一致，对于T300级织物复合材料，轻质胶膜使雷击损伤深度由无防护的1.12mm降至0.24mm，雷击后剩余强度达到401MPa（铜网对照组为409MPa）；对于T800级单向带复合材料，轻质胶膜使雷击损伤深度由无防护的1.23mm降至0.35mm，雷击后剩余强度达到353MPa（铜网对照组为335MPa）。同时新材料具有较高的减重效益，较铜网减重约37%。.通过某中型运输机舵面和某大型飞机整流罩典型结构的模拟雷击试验，验证了具有项目提出的雷击防护原理及新研轻质雷击防护胶膜的有效性。典型件的表观和内部质量以及雷击测试结果表明，新研制胶膜与复合材料具有良好的工艺相容性，且在典型结构中雷击防护效能与传统金属网（分别是铝网及铜网）相当，同时减重效果显著。