熱固性和熱塑性碳纖維復(fù)合材料的雷擊損傷實(shí)測

　　飛機(jī)處于萬米高空時，由于對流層空氣的影響，可能會被雷電擊中。有數(shù)據(jù)顯示，飛機(jī)平均飛行3000~5000小時，就會被雷電擊中一次，雖然頻率很低，但是對于飛機(jī)乘客來說，一次就會改變一生。科學(xué)家們?yōu)榱私档惋w機(jī)的安全風(fēng)險，會在飛機(jī)上設(shè)置單獨(dú)的防雷擊裝置，同時也會對飛機(jī)的各項結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗，以獲取更好的避雷方案和結(jié)構(gòu)模型。

　　碳纖維復(fù)合材料憑借極好的剛度和強(qiáng)度，在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用效果極為出色，多款現(xiàn)役的大飛機(jī)和軍用飛機(jī)上都有碳纖維復(fù)合材料的身影。碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用包括蒙皮、襟翼、尾翼，還有多種次承重結(jié)構(gòu)。如果這些碳纖維零部件在高空被雷電擊中，是否可以起到較好的防護(hù)作用，保障乘客的安全呢？文章將介紹2種熱固性碳纖維（CF/EP和CF/BMI）和1種熱塑性碳纖維（CF/PEEK）復(fù)合材料，在模擬雷電場景下的損傷情況。

　　CF/EP、CF/BMI、CF/PEEK層壓板模擬雷擊損傷

　　雷電對碳纖維復(fù)合材料的損傷模式比較復(fù)雜，包含物理和化學(xué)兩種類型，包括撞擊、熱分解、燃燒、焦耳熱、洛侖磁力等。模擬雷擊實(shí)驗中使用脈沖電流發(fā)生器對碳纖維環(huán)氧樹脂（CF/EP）、碳纖維雙馬來酰胺樹脂（CF/BMI）、碳纖維聚醚醚酮樹脂（CF/PEEK）3種復(fù)合材料層壓板進(jìn)行雷擊測試，并使用數(shù)碼相機(jī)觀測雷擊損壞的宏觀狀況，再使用高速攝像機(jī)觀察損壞的微觀狀況，后續(xù)使用超聲波技術(shù)進(jìn)行無損檢測，熱重分析儀對3種碳纖維層壓板進(jìn)行耐熱性測試，最后綜合各項觀測數(shù)據(jù)對雷擊損傷進(jìn)行科學(xué)的評估。

　　1、數(shù)碼相機(jī)觀測雷擊損壞情況：觀察脈沖電流開啟后0.1s、0.5s和1.0s階段，3種碳纖維層壓板的實(shí)際情況。發(fā)現(xiàn)CF/EP通電后立刻出現(xiàn)火焰，0.1s、0.5s和1s時依然可見，3s后火焰消失。相比之下，CF/BMI和CF/PEEK層壓板在0.1s開始燃燒，但燃燒程度比CF/EP更小，在0.5s后火焰消失，并伴隨白煙出現(xiàn)。

　　2、高速攝像機(jī)觀察雷擊損壞狀況：最大脈沖電流分別為40kA和100kA時進(jìn)行觀測，在的20μs、50μs和100μs時間上進(jìn)行標(biāo)注。當(dāng)施加40kA的脈沖電流時，隨著時間的推移，3種碳纖維層壓板都開始從頂部和側(cè)面排放熱解氣體，CF/EP從電弧附著點(diǎn)沿頂層的橫向方向觀察到發(fā)光，CF/BMI和CF/PEEK中，從電弧附著點(diǎn)觀察到徑向發(fā)光；當(dāng)施加電流變?yōu)?00kA時，3種碳纖維層壓板立刻在電弧附著點(diǎn)附近產(chǎn)生熱解氣體，其中CF/EP最為明顯。隨著時間的推移，3種碳纖維層壓板雷擊部位出現(xiàn)多個相連的發(fā)光點(diǎn)，其中CF/EP的發(fā)光點(diǎn)位于頂層的橫向方向，CF/BMI和CF/PEEK的發(fā)光點(diǎn)位于頂層的縱向方向。

　　3、雷擊損傷表面狀況：施加40kA脈沖電流下，CF/EP層壓板上觀察到碳纖維斷裂，內(nèi)層暴露在外，沿著頂層纖維方向（0°）方向觀察到電弧附著點(diǎn)的層狀升力，并且在頂層的橫向方向（90°）上觀察到碳纖維的斷裂，同時還觀察到60mm左右的菱形形狀的顏色變化，但層壓板背面沒有觀察到樹脂的熱分解和碳纖維斷裂的情況。施加100kA脈沖電流下，CF/EP層壓板從表面開始的幾層出現(xiàn)明顯分層，內(nèi)層同樣暴露在外，損壞狀況較40kA下嚴(yán)重很多。

　　而施加40kA脈沖電流下，CF/BMI和CF/PEEK層壓板上電弧附著點(diǎn)附近同樣觀察到徑向碳纖維斷裂，碳纖維斷裂直徑約為45mm，電弧附著點(diǎn)同樣存在樹脂顏色的變化，變化區(qū)域直徑約為65mm。而在100kA脈沖電流下，CF/BMI和CF/PEEK的碳纖維斷裂直徑分別約為50mm和65mm，電弧附著點(diǎn)附近樹脂顏色變化區(qū)域直徑分別約為110mm和115mm。另外在100kA脈沖電流下，CF/BMI的背面有輕微的隆起，而CF/PEEK沒有。

　　4、超聲波檢測雷擊部位背面圖像：在40kA脈沖電流下，CF/EP層壓板距離正面表層1.2mm處發(fā)生分層，厚度為10層，而CF/BMI和CF/PEEK均為發(fā)現(xiàn)分層的情況；在100kA脈沖電流下，CF/BMI距離背面表層0.2mm處發(fā)生分層，厚度為2層，而CF/PEEK仍然沒有發(fā)生分層。

　　5、熱沖分析儀檢測層壓板熱解情況：CF/EP層壓板的熱分解起始溫度為280°C；炭產(chǎn)率為75%。相比之下，在CF/BMI和CF/PEEK層壓板中，熱分解的起始溫度分別為370°C和530°C，炭產(chǎn)率分別為85%和82%，CF/BMI炭產(chǎn)率偏高是因為其纖維體積分?jǐn)?shù)較高。通過三者的相互對比，發(fā)現(xiàn)基體樹脂的耐熱性和阻燃性都會對雷擊損傷有所影響，另外通過以上多項測驗數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)材料的電各向異性、熱解氣體的用量、電導(dǎo)率、熱分解的起始溫度、炭產(chǎn)率、層間斷裂韌性等因素同樣對雷擊損傷有所影響。

　　以上測驗中，有兩種熱固性碳纖維層壓板（CF/EP和CF/BMI）和一種熱塑性碳纖維層壓板（CF/PEEK），通過對比實(shí)驗發(fā)現(xiàn)CF/PEEK層壓板在雷擊損傷中的表現(xiàn)更為優(yōu)異。聚醚醚酮（PEEK）是目前公認(rèn)的性能極其出色的一種高性能特種塑料，以此作為基體，與碳纖維進(jìn)行融合，確實(shí)可以制備出性能更為完善的熱塑性碳纖維復(fù)合材料。不過由于熱塑性樹脂高溫狀態(tài)下粘性過大，難以充分浸潤碳纖維，因此想要馴服它并不是一件容易的事情。目前全球范圍內(nèi)，能夠從事該類型熱塑性碳纖維復(fù)合材料制備的企業(yè)并不多，國內(nèi)就更少了，而智上新材料通過多年的努力，終于攻克了這項難題。不僅是CF/PEEK，我司還可以制備CF/PPS、CF/PA6等多款連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料。