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

雷電是自然界頻發(fā)的一種強電磁脈沖放電現(xiàn)象.以飛機為代表的航空器在起飛、降落、穿過積雨云等多個過程中極易遭受雷擊,統(tǒng)計得到平均每架飛機飛行3 000 h遭受一次雷擊[1].同時,復合材料在航空器(如大型民用飛機Boeing 787和Airbus A350XWA等)的用量不斷增長[2-3],其中,碳纖維增強熱塑性復合材料(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[4],近年來開始在航空器的空氣動力穩(wěn)定器、機翼后緣板、雷達天線罩等部件上應用[5].復合材料具有較差的導電及導熱等特性,其在遭受雷擊時因局部無法短時間內將大量電荷轉移或擴散,極易造成蒙皮材料的燃燒、熔融、結構畸變甚至爆炸[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熱固性復合材料相比,材料參數(shù)存在差異,且與熱固性復合材料升溫到某一閾值后樹脂即發(fā)生化學反應、化學鍵斷裂,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,直至達到某一閾值后才進入不可逆的熱解過程[11].因此,CFRTP的雷擊特性和損傷響應是一個值得關注的科學問題.

CFRTP的雷電電弧附著特征是研究其雷擊特性和損傷響應的基礎,材料的雷電電弧附著特征主要受到材料電導率、表層電荷激發(fā)能力、結構構型、環(huán)境因素等影響[12].在結構構型影響方面,國內外學者通過模擬雷擊試驗和電磁仿真計算的方法,研究了材料不同結構構型下的雷電電弧附著特性,形成了如適用于飛機分區(qū)雷電測試的SAE-ARP5414等國際標準[13-18].在明晰了材料結構構型的影響后,需研究新型CFRTP對雷電電弧附著特征的影響,分析電導率各向異性的CFRTP的存在對空間電場的改變效應,并與傳統(tǒng)金屬材料的雷擊特性進行對比,揭示新型CFRTP的先導發(fā)展和雷電電弧附著特征,對新型CFRTP的工程推廣應用具有重要意義.

為此,本文選取碳纖維/聚偏氟乙烯的CFRTP為研究對象,選取相同幾何尺寸下的鋼合金Q235B作為對照試驗件,開展了CFRTP 的模擬雷電沖擊試驗,獲取了米級間隙擊穿過程下的放電通道光學形態(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建立了試驗背景電場的分析模型,采用模擬雷電試驗和電磁仿真計算方法,探討了CFRTP 的雷電電弧附著特性.

1 試驗平臺設計

本文采用的CFRTP的型號為Evolite F1050,樹脂基材料為聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride, PVDF), 碳纖維體積分數(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,碳纖維鋪層方向為[0/90]3.依據(jù)CFRTP試驗件的幾何尺寸,設置同尺寸的鋼合金Q235B作為對照試驗件.實驗室環(huán)境條件保持在溫度15 ℃,濕度70%.試驗前,對試驗樣品進行去除氧化層、去除污點的潔凈處理,并真空干燥去除水汽,同時,使用超聲檢測法掃描CFRTP試驗件及金屬試驗件,判明試驗件內部無損傷和工藝缺陷,從而減少因氧化、污穢、內部缺陷等帶來的試驗誤差.

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

圖1 棒電極-空氣間隙-試驗件的試驗設計圖Fig.1 Diagram of discharging electrode, air gap, and test plate setup

如圖2(a)所示,模擬雷電的Max串級沖擊電壓發(fā)生器采用上海交通大學高電壓實驗室型號為SJTU-3000的 3 000 kV沖擊電壓發(fā)生器.其可輸出電壓幅值達 3 000 kV、極性可調(正/負極性)的標準雷電沖擊電壓(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量試驗波形,分壓器輸出電壓信號經(jīng)電纜傳輸至屏蔽室內的Tek 3012示波器進行記錄.試驗過程的放電通道特征采用遙控高速照相機方式完成光學拍攝和圖像記錄.試驗現(xiàn)場布置如圖2(b)所示.為認識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.其中,40次完整試驗后交換CFRTP試驗件和金屬試驗件的位置,從而驗證所得結論的穩(wěn)定性.

2 結果分析與討論

2.1 放電通道形態(tài)觀測

依據(jù)試驗方案共進行80次沖擊電壓模擬雷電試驗,其中,放電電弧僅附著于金屬試驗件和CFRTP 試驗件的次數(shù)分別為49次和31次,分別占總試驗次數(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,形成流注分叉結構,流柱頭部分別指向金屬試驗件和CFRTP 試驗件,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件和棒電極間的空氣間隙形成放電通道.同時,在金屬試驗件和CFRTP試驗件的競爭接閃過程中,當雷電負極性下行先導梯級向下發(fā)展時,下行先導頭部聚集有大量空間電荷,進一步影響試驗件所在的空間電勢分布,致使試驗件表面發(fā)生背景電場的畸變,促進先始發(fā)上行先導試驗件的放電發(fā)展及其與下行先導的連接.

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結果Fig.3 Discharge channels with different arc attachment points at a 1.2/50 μs impulse voltage

沖擊電壓試驗中共出現(xiàn)7次存在試驗件表面形成多個電弧附著點的現(xiàn)象,如圖4所示.6次放電過程的電弧附著點均位于同一試驗件,其中金屬試驗件發(fā)生3次(見圖4(a)),CFRTP試驗件發(fā)生3次(見圖4(b));1次放電過程的電弧同時附著在金屬試驗件和CFRTP試驗件(見圖4(c)).分析圖4(d)可知,在金屬試驗件已經(jīng)發(fā)生電弧附著現(xiàn)象時,CFRTP試驗件表面仍出現(xiàn)上行先導,但未攔截下行先導形成對地放電通道.因此,當航空器中的CFRTP材料與金屬材料存在于相似雷電背景電場環(huán)境下,金屬材料不能完全屏蔽或保護CFRTP不受雷擊,CFRTP材料仍有一定概率遭受雷擊損傷.同時,會出現(xiàn)金屬試驗件和CFRTP試驗件同時遭受雷擊的情況.因此,在飛機等航空器應用CFRTP時,上述現(xiàn)象值得在航空器的防雷設計和風險評估中引起關注.

圖4 1.2/50 μs沖擊電壓作用下多個電弧附著位置的放電通道觀測結果Fig.4 Discharge channels with multiple arc attachment positions at a 1.2/50 μs impulse voltage

進一步分析飛機結構件中金屬材料和CFRTP相鄰安裝的情況,如圖5所示.其中,L1為CFRTP板件雷擊點至邊緣處的距離,L2為金屬板件雷擊點至邊緣處的距離,ΔL為CFRTP板件與金屬板件的裝配間隙.由于CFRTP的電導率遠低于金屬材料電導率[19],當兩種材料或者其中一種材料遭受雷擊時,極易在相鄰間隙ΔL內存在較大電壓差,短間隙內易形成火花放電.

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

2.2 背景電場分布的仿真分析

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

長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)域的磁感應強度分布;μ為電弧等離子體的磁導率;E為電弧區(qū)域的電場強度分布;t為時間;σ為材料電導率.

2.2.2計算與分析 依據(jù)本試驗選用的試驗件尺寸,基于有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics,以試驗板中心點與放電電極三點所在平面,建立同尺寸的二維仿真模型,二維模型的計算結果僅代表當前所在截面.定義CFRTP板的各向異性電導率,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)匯總如表1所示,其中T為溫度.空氣域的輸運特性參數(shù)和熱動力學參數(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的點電壓源模擬放電電極下表面,接地方式依據(jù)試驗現(xiàn)場布置定義為底面局部接地,計算雷電沖擊電壓施加瞬間的背景電場空間分布特性,計算結果如圖6所示.圖中:U為電勢;x為水平位置;h為高度.定義放電區(qū)域內距陽極試驗件底面接地處的垂直距離為h,由圖6(a)可知,試驗電極尖端下方700 mm的區(qū)間范圍內,空間電勢整體近似沿中心對稱,呈現(xiàn)中心大、兩端小的分布特性.由圖6(b)可知,由于電導率差異,整體背景電場呈現(xiàn)不對稱分布的特征,距陽極試驗件平面高度300 mm內,CFRTP近區(qū)電勢整體高于金屬材料近區(qū).陽極試驗件表面即h=3 mm處,CFRTP近端電勢為784 V,因此CFRTP試驗件與放電電極間的電勢差為119.2 kV,金屬試驗件與放電電極間的電勢差為120 kV,均高于長空氣間隙起暈的臨界電壓,依據(jù)空間電場分析可知,金屬試驗件相較于CFRTP試驗件更易發(fā)生空氣擊穿現(xiàn)象,形成雷電電弧的附著通道.同時,分析圖6(b)電勢分布曲線中可知,試驗電極至CFRTP邊緣處的電勢梯度變化低于試驗電極至金屬材料處的電勢梯度,該結果表明電弧附著于CFRTP的發(fā)展速度可能會低于附著于金屬材料的發(fā)展速度,需進一步試驗觀測.

圖6 背景電場空間分布計算結果Fig.6 Spatial distribution of background electric field

3 結論

試驗研究了CFRTP的電弧附著特性,開展了基于有限元方法的CFRTP對空間電場的改變效應分析,并與金屬材料進行了對比,得到如下結論:

(1) 新型CFRTP是雷電電弧的可能附著點,但電弧附著概率較金屬材料低22.5%.當飛機等航空器結構同時包含CFRTP與金屬材料時,金屬材料不能完全屏蔽或保護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)了單個上行先導、多個上行先導的情況而產(chǎn)生對應的單個或多個電弧附著點情況,存在雷電電弧同時附著于金屬和CFRTP的現(xiàn)象.當兩種材料或者其中一種材料遭受雷擊時,極易在相鄰間隙內存在較大電壓差,形成火花放電并成為潛在危險源.