謝敏騏, 肖慈恩, 卞嘉鵬, 劉亞坤, 范 寅, 陳秀華, 劉力博

(1. 上海交通大學(xué) 航空航天學(xué)院, 上海 200240; 2. 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院, 上海 200240; 3. 中國商飛復(fù)合材料中心, 上海 200135)

雷電是自然界頻發(fā)的一種強(qiáng)電磁脈沖放電現(xiàn)象.以飛機(jī)為代表的航空器在起飛、降落、穿過積雨云等多個(gè)過程中極易遭受雷擊,統(tǒng)計(jì)得到平均每架飛機(jī)飛行3 000 h遭受一次雷擊[1].同時(shí),復(fù)合材料在航空器(如大型民用飛機(jī)Boeing 787和Airbus A350XWA等)的用量不斷增長(zhǎng)[2-3],其中,碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic, CFRTP)作為新型材料,具有較高的韌性、損傷容限、使用溫度和較短的加工周期等優(yōu)點(diǎn)[4],近年來開始在航空器的空氣動(dòng)力穩(wěn)定器、機(jī)翼后緣板、雷達(dá)天線罩等部件上應(yīng)用[5].復(fù)合材料具有較差的導(dǎo)電及導(dǎo)熱等特性,其在遭受雷擊時(shí)因局部無法短時(shí)間內(nèi)將大量電荷轉(zhuǎn)移或擴(kuò)散,極易造成蒙皮材料的燃燒、熔融、結(jié)構(gòu)畸變甚至爆炸[6-10].由于基體材料體系的差異,CFRTP與現(xiàn)有常用的碳纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料相比,材料參數(shù)存在差異,且與熱固性復(fù)合材料升溫到某一閾值后樹脂即發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)鍵斷裂,損傷不可逆不同。CFRTP在受熱升溫過程中,首先是可逆的物理融化過程,直至達(dá)到某一閾值后才進(jìn)入不可逆的熱解過程[11].因此,CFRTP的雷擊特性和損傷響應(yīng)是一個(gè)值得關(guān)注的科學(xué)問題.

CFRTP的雷電電弧附著特征是研究其雷擊特性和損傷響應(yīng)的基礎(chǔ),材料的雷電電弧附著特征主要受到材料電導(dǎo)率、表層電荷激發(fā)能力、結(jié)構(gòu)構(gòu)型、環(huán)境因素等影響[12].在結(jié)構(gòu)構(gòu)型影響方面,國內(nèi)外學(xué)者通過模擬雷擊試驗(yàn)和電磁仿真計(jì)算的方法,研究了材料不同結(jié)構(gòu)構(gòu)型下的雷電電弧附著特性,形成了如適用于飛機(jī)分區(qū)雷電測(cè)試的SAE-ARP5414等國際標(biāo)準(zhǔn)[13-18].在明晰了材料結(jié)構(gòu)構(gòu)型的影響后,需研究新型CFRTP對(duì)雷電電弧附著特征的影響,分析電導(dǎo)率各向異性的CFRTP的存在對(duì)空間電場(chǎng)的改變效應(yīng),并與傳統(tǒng)金屬材料的雷擊特性進(jìn)行對(duì)比,揭示新型CFRTP的先導(dǎo)發(fā)展和雷電電弧附著特征,對(duì)新型CFRTP的工程推廣應(yīng)用具有重要意義.

為此,本文選取碳纖維/聚偏氟乙烯的CFRTP為研究對(duì)象,選取相同幾何尺寸下的鋼合金Q235B作為對(duì)照試驗(yàn)件,開展了CFRTP 的模擬雷電沖擊試驗(yàn),獲取了米級(jí)間隙擊穿過程下的放電通道光學(xué)形態(tài)圖像和CFRTP的雷電電弧附著特性,并基于電磁有限元分析軟件COMSOL Multiphysics建立了試驗(yàn)背景電場(chǎng)的分析模型,采用模擬雷電試驗(yàn)和電磁仿真計(jì)算方法,探討了CFRTP 的雷電電弧附著特性.

1 試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文采用的CFRTP的型號(hào)為Evolite F1050,樹脂基材料為聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride, PVDF), 碳纖維體積分?jǐn)?shù)為50%,試品尺寸為400 mm×400 mm×1.5 mm,單層厚度名義值為0.25 mm,碳纖維鋪層方向?yàn)閇0/90]3.依據(jù)CFRTP試驗(yàn)件的幾何尺寸,設(shè)置同尺寸的鋼合金Q235B作為對(duì)照試驗(yàn)件.實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件保持在溫度15 ℃,濕度70%.試驗(yàn)前,對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行去除氧化層、去除污點(diǎn)的潔凈處理,并真空干燥去除水汽,同時(shí),使用超聲檢測(cè)法掃描CFRTP試驗(yàn)件及金屬試驗(yàn)件,判明試驗(yàn)件內(nèi)部無損傷和工藝缺陷,從而減少因氧化、污穢、內(nèi)部缺陷等帶來的試驗(yàn)誤差.

試驗(yàn)采用棒電極-空氣間隙-試驗(yàn)件的布置方法模擬雷擊放電的先導(dǎo)過程.其中,棒金屬電極為直徑10 mm的圓柱體,與模擬雷電的Max串級(jí)沖擊電壓發(fā)生器相連,且棒電極吊掛的高度和角度可調(diào)可控.在試驗(yàn)件布置中,將CFRTP試驗(yàn)件和金屬試驗(yàn)件以棒金屬電極為中心線等距布置,CFRTP試驗(yàn)件與金屬試驗(yàn)件邊緣距離0.8 m,棒金屬電極尖端距離試驗(yàn)件垂直高度1 m,且均采用試驗(yàn)件底面中心點(diǎn)等面積接地方式,消除因放電距離、布置方式、接地條件等帶來的試驗(yàn)誤差.同時(shí),采用高壓支柱絕緣子實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)件的對(duì)地絕緣.棒電極-空氣間隙-試驗(yàn)件的試驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1所示.

圖1 棒電極-空氣間隙-試驗(yàn)件的試驗(yàn)設(shè)計(jì)圖Fig.1 Diagram of discharging electrode, air gap, and test plate setup

如圖2(a)所示,模擬雷電的Max串級(jí)沖擊電壓發(fā)生器采用上海交通大學(xué)高電壓實(shí)驗(yàn)室型號(hào)為SJTU-3000的 3 000 kV沖擊電壓發(fā)生器.其可輸出電壓幅值達(dá) 3 000 kV、極性可調(diào)(正/負(fù)極性)的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓(波形為1.2/50 μs),采用分壓比為 2 000∶1 的沖擊電壓電容分壓器測(cè)量試驗(yàn)波形,分壓器輸出電壓信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至屏蔽室內(nèi)的Tek 3012示波器進(jìn)行記錄.試驗(yàn)過程的放電通道特征采用遙控高速照相機(jī)方式完成光學(xué)拍攝和圖像記錄.試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖2(b)所示.為認(rèn)識(shí)CFRTP 的雷電電弧附著特性,共開展80次模擬雷電沖擊電壓試驗(yàn).其中,40次完整試驗(yàn)后交換CFRTP試驗(yàn)件和金屬試驗(yàn)件的位置,從而驗(yàn)證所得結(jié)論的穩(wěn)定性.

2 結(jié)果分析與討論

2.1 放電通道形態(tài)觀測(cè)

依據(jù)試驗(yàn)方案共進(jìn)行80次沖擊電壓模擬雷電試驗(yàn),其中,放電電弧僅附著于金屬試驗(yàn)件和CFRTP 試驗(yàn)件的次數(shù)分別為49次和31次,分別占總試驗(yàn)次數(shù)的61.25%和38.75%,其中,典型模擬雷電沖擊電壓下放電通道圖像如圖3所示.分析圖3可知,流注從棒電極頭部向空間發(fā)展,形成流注分叉結(jié)構(gòu),流柱頭部分別指向金屬試驗(yàn)件和CFRTP 試驗(yàn)件,其中一條流注分支未貫穿空氣間隙,另一流注分支貫穿金屬試驗(yàn)件和棒電極間的空氣間隙形成放電通道.同時(shí),在金屬試驗(yàn)件和CFRTP試驗(yàn)件的競(jìng)爭(zhēng)接閃過程中,當(dāng)雷電負(fù)極性下行先導(dǎo)梯級(jí)向下發(fā)展時(shí),下行先導(dǎo)頭部聚集有大量空間電荷,進(jìn)一步影響試驗(yàn)件所在的空間電勢(shì)分布,致使試驗(yàn)件表面發(fā)生背景電場(chǎng)的畸變,促進(jìn)先始發(fā)上行先導(dǎo)試驗(yàn)件的放電發(fā)展及其與下行先導(dǎo)的連接.

圖3 1.2/50 μs沖擊電壓作用下不同電弧附著位置的放電通道觀測(cè)結(jié)果Fig.3 Discharge channels with different arc attachment points at a 1.2/50 μs impulse voltage

沖擊電壓試驗(yàn)中共出現(xiàn)7次存在試驗(yàn)件表面形成多個(gè)電弧附著點(diǎn)的現(xiàn)象,如圖4所示.6次放電過程的電弧附著點(diǎn)均位于同一試驗(yàn)件,其中金屬試驗(yàn)件發(fā)生3次(見圖4(a)),CFRTP試驗(yàn)件發(fā)生3次(見圖4(b));1次放電過程的電弧同時(shí)附著在金屬試驗(yàn)件和CFRTP試驗(yàn)件(見圖4(c)).分析圖4(d)可知,在金屬試驗(yàn)件已經(jīng)發(fā)生電弧附著現(xiàn)象時(shí),CFRTP試驗(yàn)件表面仍出現(xiàn)上行先導(dǎo),但未攔截下行先導(dǎo)形成對(duì)地放電通道.因此,當(dāng)航空器中的CFRTP材料與金屬材料存在于相似雷電背景電場(chǎng)環(huán)境下,金屬材料不能完全屏蔽或保護(hù)CFRTP不受雷擊,CFRTP材料仍有一定概率遭受雷擊損傷.同時(shí),會(huì)出現(xiàn)金屬試驗(yàn)件和CFRTP試驗(yàn)件同時(shí)遭受雷擊的情況.因此,在飛機(jī)等航空器應(yīng)用CFRTP時(shí),上述現(xiàn)象值得在航空器的防雷設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中引起關(guān)注.

圖4 1.2/50 μs沖擊電壓作用下多個(gè)電弧附著位置的放電通道觀測(cè)結(jié)果Fig.4 Discharge channels with multiple arc attachment positions at a 1.2/50 μs impulse voltage

進(jìn)一步分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中金屬材料和CFRTP相鄰安裝的情況,如圖5所示.其中,L1為CFRTP板件雷擊點(diǎn)至邊緣處的距離,L2為金屬板件雷擊點(diǎn)至邊緣處的距離,ΔL為CFRTP板件與金屬板件的裝配間隙.由于CFRTP的電導(dǎo)率遠(yuǎn)低于金屬材料電導(dǎo)率[19],當(dāng)兩種材料或者其中一種材料遭受雷擊時(shí),極易在相鄰間隙ΔL內(nèi)存在較大電壓差,短間隙內(nèi)易形成火花放電.

圖5 相鄰CFRTP板件與金屬板件電弧同時(shí)附著示意圖Fig.5 Diagram of arc adhesion between adjacent CFRTP composite plate and metal plate

2.2 背景電場(chǎng)分布的仿真分析

2.2.1數(shù)學(xué)模型及仿真方法 為了模擬實(shí)際試驗(yàn)過程中,長(zhǎng)間隙放電瞬間的空間電場(chǎng)分布特性,建立同時(shí)包含復(fù)合材料、金屬材料、空氣域的多場(chǎng)模型.模型采用分步計(jì)算的方式,第1步計(jì)算主要考慮空氣域未發(fā)生熱電離狀態(tài)下的電場(chǎng)分布,得到多場(chǎng)模型近穩(wěn)態(tài)的空間電場(chǎng)分布.同時(shí)以第1步的計(jì)算結(jié)果作為初始狀態(tài),第2步基于空氣域的材料熱動(dòng)力學(xué)參數(shù)和輸運(yùn)參數(shù)曲線,計(jì)算高壓源附近區(qū)域局部熱電離狀態(tài)下的電場(chǎng)分布,以更符合實(shí)際放電通道的發(fā)展與附著過程中的參數(shù)分布特點(diǎn).

長(zhǎng)間隙放電的電磁熱耦合過程符合以下方程的描述.

麥克斯韋方程組:

(1)

(2)

(3)

(4)

歐姆定律:

J=σE

(5)

式中:J為電弧區(qū)域電流密度分布;B為電弧區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布;μ為電弧等離子體的磁導(dǎo)率;E為電弧區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度分布;t為時(shí)間;σ為材料電導(dǎo)率.

2.2.2計(jì)算與分析 依據(jù)本試驗(yàn)選用的試驗(yàn)件尺寸,基于有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics,以試驗(yàn)板中心點(diǎn)與放電電極三點(diǎn)所在平面,建立同尺寸的二維仿真模型,二維模型的計(jì)算結(jié)果僅代表當(dāng)前所在截面.定義CFRTP板的各向異性電導(dǎo)率,金屬材料和空氣域的材料參數(shù)采用材料庫定義,具體材料參數(shù)匯總?cè)绫?所示,其中T為溫度.空氣域的輸運(yùn)特性參數(shù)和熱動(dòng)力學(xué)參數(shù)基于Capitelli等[20]研究成果定義.

表1 試樣材料參數(shù)定義Tab.1 Parameters of composites and metal specimen

采用幅值120 kV的點(diǎn)電壓源模擬放電電極下表面,接地方式依據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置定義為底面局部接地,計(jì)算雷電沖擊電壓施加瞬間的背景電場(chǎng)空間分布特性,計(jì)算結(jié)果如圖6所示.圖中:U為電勢(shì);x為水平位置;h為高度.定義放電區(qū)域內(nèi)距陽極試驗(yàn)件底面接地處的垂直距離為h,由圖6(a)可知,試驗(yàn)電極尖端下方700 mm的區(qū)間范圍內(nèi),空間電勢(shì)整體近似沿中心對(duì)稱,呈現(xiàn)中心大、兩端小的分布特性.由圖6(b)可知,由于電導(dǎo)率差異,整體背景電場(chǎng)呈現(xiàn)不對(duì)稱分布的特征,距陽極試驗(yàn)件平面高度300 mm內(nèi),CFRTP近區(qū)電勢(shì)整體高于金屬材料近區(qū).陽極試驗(yàn)件表面即h=3 mm處,CFRTP近端電勢(shì)為784 V,因此CFRTP試驗(yàn)件與放電電極間的電勢(shì)差為119.2 kV,金屬試驗(yàn)件與放電電極間的電勢(shì)差為120 kV,均高于長(zhǎng)空氣間隙起暈的臨界電壓,依據(jù)空間電場(chǎng)分析可知,金屬試驗(yàn)件相較于CFRTP試驗(yàn)件更易發(fā)生空氣擊穿現(xiàn)象,形成雷電電弧的附著通道.同時(shí),分析圖6(b)電勢(shì)分布曲線中可知,試驗(yàn)電極至CFRTP邊緣處的電勢(shì)梯度變化低于試驗(yàn)電極至金屬材料處的電勢(shì)梯度,該結(jié)果表明電弧附著于CFRTP的發(fā)展速度可能會(huì)低于附著于金屬材料的發(fā)展速度,需進(jìn)一步試驗(yàn)觀測(cè).

圖6 背景電場(chǎng)空間分布計(jì)算結(jié)果Fig.6 Spatial distribution of background electric field

3 結(jié)論

試驗(yàn)研究了CFRTP的電弧附著特性,開展了基于有限元方法的CFRTP對(duì)空間電場(chǎng)的改變效應(yīng)分析,并與金屬材料進(jìn)行了對(duì)比,得到如下結(jié)論:

(1) 新型CFRTP是雷電電弧的可能附著點(diǎn),但電弧附著概率較金屬材料低22.5%.當(dāng)飛機(jī)等航空器結(jié)構(gòu)同時(shí)包含CFRTP與金屬材料時(shí),金屬材料不能完全屏蔽或保護(hù)CFRTP不受雷擊,CFRTP仍有一定概率遭受雷擊損傷.

(2) 雷電電弧附著過程中CFRTP材料表面出現(xiàn)了單個(gè)上行先導(dǎo)、多個(gè)上行先導(dǎo)的情況而產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的單個(gè)或多個(gè)電弧附著點(diǎn)情況,存在雷電電弧同時(shí)附著于金屬和CFRTP的現(xiàn)象.當(dāng)兩種材料或者其中一種材料遭受雷擊時(shí),極易在相鄰間隙內(nèi)存在較大電壓差,形成火花放電并成為潛在危險(xiǎn)源.