【儀表網 研發快訊】碳纖維增強型聚合物(CFRP)復合材料因其具有低密度、高比模量、高比強度等優異的力學性能，被廣泛應用于飛機的結構制造中。雷擊事件嚴重威脅飛機的飛行安全，已然成為大飛機輕量化進程的關鍵難題之一。雷擊是一個包含強電、熱、力場效應的強耦合復雜過程，雷擊引起的力學沖擊是引起CFRP復合材料結構損傷的關鍵因素，高電壓、大電流、強電磁、極高溫的復雜雷電環境給雷電沖擊壓力測量、雷電沖擊載荷和雷擊損傷特性的研究帶來了極大挑戰。
針對上述問題，西安交通大學電氣工程學院、電工材料電氣絕緣全國重點實驗室、陜西省高電壓大電流測試技術及裝備工程實驗室姚學玲教授團隊近日陸續發表多篇科研成果，提出了基于多維度沖擊力的測量方法及多維沖擊力作用時序的分析和解耦方法，填補了CFRP復合材料雷擊力學沖擊理論的不足、完善了CFRP復合材料雷擊損傷理論體系。基于一維應力波傳遞理論，提出了一種由氧化鋯陶瓷傳遞桿-聚偏二氟乙烯傳感器-支撐組件組成的沖擊力測量機構，實現了雷電沖擊壓力的定量校準；設計了沖擊力測量單元的電磁屏蔽方法，研制了多通道可調節的分布式雷電沖擊載荷測量裝置。開展了間隙注入下雷電沖擊載荷作用特性的研究，分析了雷電電磁力(EMF)、表面爆炸產生的沖擊波(SESW)和電弧通道膨脹產生的聲沖擊波(AESW)在時空尺度上的時序疊加關系，多維雷擊沖擊力的時序分析表明作用時序依次為EMF、SESW和AESW。開展了雷電流A分量注入CFRP復合材料人工模擬雷擊試驗，深入綜合研究了雷電流幅度對復合材料板電弧-熱-損傷-力學等雷擊特征演化的影響規律，評估了雷電沖擊載荷的損傷貢獻，提出了兩邊接地條件下復合材料雷擊的二次爆炸理論，闡明了CFRP復合材料雷擊損傷的產生及演化過程。該系列研究填補了雷擊熱-電-力學耦合過程中關鍵力學數據的空白，揭示了雷擊電、熱、沖擊順序協同作用下CFRP復合材料內部分層損傷機制，為復合材料防雷結構設計提供了充足的理論指導，對復合材料裝備整體雷擊防護具有深厚的應用價值。
近期，上述研究成果分別以《脈沖雷電流注入下CFRP復合材料電-熱-沖擊協同損傷機制實驗研究》(Experimental investigation of electro-thermal-impact synergistic damage mechanism of CFRP composites injected by impulse lightning current)、《航空材料的雷電沖擊動態特性及作用機制》(Dynamic characteristics and mechanisms of lightning impact on aerospace materials)和《脈沖電流引起碳纖維增強復合材料電-弧-熱-力多物理場耦合效應實驗研究》(Experimental study of impulse-current-induced electrical, arc, thermal, and mechanical multiphysics coupling on carbon fiber-reinforced polymer composites)為題陸續在復合材料領域頂級期刊《復合材料B部分：工程》(Composites part B：Engineering，一區Top，影響因子：14.2)、力學領域頂級期刊《國際機械科學雜志》(International Journal of Mechanical Sciences，一區Top，影響因子：9.4)和力學領域知名期刊《薄壁結構》(Thin-Walled Structures，二區Top，影響因子：6.6)發表。論文第一作者為西安交通大學電氣學院博士生李樹，通訊作者為西安交通大學電氣學院姚學玲教授、孫晉茹副教授，該工作由國家自然基金(No. 52007146)、航空基金(No. 2023Z062070001)、中央高校基本科研業務費自由探索專項基金(No. xzy022023086)支持。
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