劉曉明，俞曉桑，王 玖，張世全，胡伯仁

（1.中航工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司技術(shù)中心，四川成都 610092；2.西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院，先進材料測試中心，陜西西安 710129）

不同防護碳纖維復(fù)合材料層合板雷擊后的軸向壓縮試驗

劉曉明1，俞曉桑2，王 玖1，張世全1，胡伯仁1

（1.中航工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司技術(shù)中心，四川成都 610092；2.西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院，先進材料測試中心，陜西西安 710129）

針對不同防護措施下的典型碳纖維復(fù)合材料層合板，在其雷擊損傷后開展軸向壓縮試驗研究。試驗件分為沒有防護措施、局部噴鋁防護和全噴鋁防護三類。分別對試驗件進行軸向壓縮試驗直至其失去承載能力，記錄其最大破壞載荷，并將試驗結(jié)果進行對比分析。研究結(jié)果表明：防護層能起到很好的雷擊防護效果，且全噴鋁涂層的雷擊防護效果最好。跟沒有防護措施的試驗件相比，全噴鋁防護的試驗件壓縮強度提高了37.84％。

復(fù)合材料;雷擊防護;軸向壓縮試驗

1 前 言

據(jù)資料記載，飛機平均每經(jīng)過一定飛行小時就遭遇一次雷擊，而雷電擊中飛機的現(xiàn)象在多雷雨地區(qū)幾乎每年都會發(fā)生［1］，由雷擊引起的飛行事故也頻繁發(fā)生。1978年12月，美國一架C-130運輸機在執(zhí)行任務(wù)時，進入雷暴區(qū)后不久燃油箱就遭到雷擊，引起爆炸造成機毀人亡。2005年3月，日本一架航班接近機場時遭到雷擊，左機翼前段被擊穿了一個15厘米的大洞。2005年8月，法國航空公司一架A340在降落時被雷電擊中沖出跑道，造成多人受傷。由此可見，飛機遭遇雷擊尤其是飛機油箱遭遇雷擊會對其造成致命的損傷。目前，復(fù)合材料已被廣泛應(yīng)用于飛機上，其中波音B787上復(fù)合材料的使用量占到飛機結(jié)構(gòu)重量的50％［2］。復(fù)合材料的比強度、比剛度高，可設(shè)計性強，且具有良好的抗疲勞性能［3］。這些獨特的力學(xué)優(yōu)勢能改善飛機的結(jié)構(gòu)和性能，同時可以減輕機體結(jié)構(gòu)重量［4］。復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)中的大面積使用，使得其在飛機飛行過程中遭遇雷擊的可能性大大增加，因此對復(fù)合材料雷擊后性能的研究顯得越為重要。近年來隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料種類越來越繁多，碳纖維復(fù)合材料就是其中常用的一類新型復(fù)合材料。碳纖維是一種含碳量在90％以上的高性能無機纖維［5］，其比重不到鋼的1/4，而強度卻高出了4～6倍。雖然碳纖維具有一定的導(dǎo)電性，但是由碳纖維和環(huán)氧樹脂組成的復(fù)合材料的整體導(dǎo)電性能往往比鋁合金結(jié)構(gòu)差得多［6］。復(fù)合材料層合板雷擊損傷的形式比較復(fù)雜，其中最主要的形式是燒蝕損傷，并且伴隨有沖擊損傷和內(nèi)爆。目前國內(nèi)外關(guān)于對雷擊損傷的復(fù)合材料力學(xué)性能方面的研究相對較少，Wang等［7］對碳纖維復(fù)合材料的雷擊燒蝕損傷和雷擊后的剩余強度等進行了理論分析和數(shù)值模擬。Hirano等［8］通過實驗方法對復(fù)合材料層合板雷擊損傷后的剩余強度與沖擊損傷后的剩余強度進行對比。國內(nèi)對復(fù)合材料層合板的損傷及損傷后性能的研究，也多集中于常溫下的物理損傷，如崔海波［9］等對含低速沖擊損傷的復(fù)合材料層合板進行了拉伸剩余強度的分析和數(shù)值模擬。孫浩等［10］采用數(shù)值模擬方法研究了含單脫層縫合復(fù)合材料層板在壓縮載荷下的剩余強度。孫少周等［11］采用數(shù)值模擬和試驗方法對含分層復(fù)合材料層板的壓縮性能進行了研究。

為了研究不同防護措施對雷擊后碳纖維復(fù)合材料層合板剩余強度的影響，分別對相應(yīng)的試驗件展開軸向壓縮試驗，并將試驗結(jié)果進行對比分析，評估各類防護措施的雷擊防護效果。

2 試 驗

2.1 試驗件

本試驗的試驗件采用碳纖維復(fù)合材料3234/T70 0，試驗件尺寸為500mm×250mm×2mm，共16層，其單層厚度為0.125mm，試驗件的鋪層參數(shù)為［45/-45/02/45/ 90/-45/0］s。試驗件分為不含防護層（基準(zhǔn)件）、局部噴鋁防護、全噴鋁防護3種防護方案。噴涂的鋁層為火焰噴鋁，厚度為0.2mm。圖1為局部噴鋁防護試驗件示意圖，試驗件的雷擊峰值電流為10/350μs波形，電流峰值為93.7k A，圖2給出其等效試驗波形。

圖1 局部噴鋁防護試驗件示意圖Fig.1 Local spraying aluminum protection test section schematic diagram

圖2 等效試驗波形Fig.2 Equivalent test waveform

2.2 試驗方案

本試驗選用CSS-WAW 600液壓試驗機。試驗件在試驗過程中的應(yīng)變采集選用DH-3815靜態(tài)應(yīng)變采集儀。

試驗夾具及其裝配方式如圖3所示，其中試驗件的上下兩端粘貼約3mm厚的玻璃鋼加強片來保護被夾持試件。試驗件的上下兩端采用固定約束，并從上端進行1mm/min位移加載，兩邊采用活動刀口施加簡支約束，加載至試驗件完全喪失承載能力為止。

圖3 試驗夾具及裝配方式 （a）夾具模型;（b）夾具實物圖Fig.3 Test fixture and assembly method （a）Fixture model;（b）Physical map fixture

在試驗件給定位置粘貼單向電阻應(yīng)變片BE120-4AA，試驗件貼片方案如圖4所示，應(yīng)變片分別粘貼在試驗件的正反兩面。圖可知，各曲線的變化趨勢一致，且有防護措施的試驗件最大破壞荷載明顯大于基準(zhǔn)件，故防護層起到了很好的防雷擊作用。由表可知，全噴鋁對雷擊的防護效果最好，局部噴鋁的防護效果次之。

圖4 應(yīng)變片貼片方案Fig.4 Strain gauge placement scheme

4 結(jié) 論

本文通過對含雷擊損傷試驗件的壓縮試驗分析，

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗件破壞模式

軸向壓縮試驗完成后試驗件破壞模式如圖5，各類試驗件的破壞模式類似，分層破壞是其主要破壞模式，并且伴有表層纖維撕裂和整體斷裂，其中撕裂都是從四個角沿45°方向產(chǎn)生。

圖5 試驗件破壞模式圖Fig.5 Test section failure mode map

3.2 試驗件試驗數(shù)據(jù)分析

圖6為相同峰值雷擊下不同防護方案試驗件的載荷位移曲線，表1為不同防護方案實驗數(shù)據(jù)總結(jié)。由研究了不同雷擊防護措施對試驗件的最終壓縮破壞載荷的影響。由于試驗件數(shù)量和試驗條件的限制，試驗結(jié)果難免有一定的偏差，但是該試驗對于碳纖維復(fù)合材料層合板雷擊后剩余強度的研究仍然有一定的工程價值。通過對試驗結(jié)果的對比分析，得出的結(jié)論如下：

圖6 不同防護方案試驗件載荷位移曲線對比Fig.6 Different protection scheme of test load displacement curves

表1 不同防護方案實驗數(shù)據(jù)總結(jié)Table 1 Test data of different protection scheme

1.從試驗件的破壞模式圖可以看出，雷擊后復(fù)合材料板的壓縮破壞模式主要有表層纖維撕裂、分層破壞和整體斷裂，其中分層破壞是主要破壞模式。

2.無防護涂層的試驗件與有防護涂層的試驗件的試驗結(jié)果對比表明，有防護措施的試驗件最大破壞荷載明顯大于無防護的，說明防護措施起到了很好的雷擊防護作用，且全噴鋁涂層的防護效果較好，全噴鋁防護的壓縮強度提高了37.84％。

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Axial Compression of Carbon Fiber Composite Laminates with Different protection after Lightning Strike

LIU Xiao-ming1，YU Xiao-shang2，WANG Jiu1，ZHANG Shi-quan1，HU Bo-ren1
（1.AVIC Chengdu Aircraft Industrial（Group）Corporation Ltd Technology Centre，Chengdu 610092，China;2.Advanced Materials Test Center，Department of Engineering Mechanics，Northwestern polytechnical University，Xi’an 710129，China）

For typical carbon fiber composite laminates with different protective measures，an axial compression test was carried out after lightning strike.Laminate samples were divided into three groups according to the protection types，namely with no protective measures，with partial-sprayed aluminum coating protective measures and with full-sprayed aluminum coating protective measures.Corresponding maximum failure loads of the three protective types under the same lighting strike were recorded and comparatively analyzed.Research results show that the protective coatings can play a good role of protection，and the protection effect of the full-sprayed aluminum coating is the best.As compared with the no protective type，the failure load of the full-sprayed aluminum coating increases 37.84％.

composite;lightning strike protection;axial compression test

TB332

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2016.03.008

1673-2812（2016）03-0375-04

2015-05-05;

2015-06-29

中航工業(yè)集團戰(zhàn)術(shù)型無人機系統(tǒng)創(chuàng)新基金資助項目（08-8130-027）;西北工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)研究基金資助項目（JC20110260）

劉曉明（1962-），男，研究員級高級工程師，長期從事航空飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析方面的研究工作。

王 玖，E-mail：nonine_coco@163.com。