对于飞机混合结构研究的分析与比较外文翻译资料

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对于飞机混合结构研究的分析与比较

安德烈.圭丁

机械研究所，西里西亚理工大学，Konarskigo 18a，44-100 Gliwice，波兰

andrzej.katunin@polsl.pl

摘要

由于聚合物复合材料在飞机结构中的适用性越来越强，而且这种结构的导电性能较弱，因此雷击是飞机运行中的一个严重问题。在复合结构中，雷击可能造成需要适当维护和修复的长期损坏场地，从而增加运营成本。为了克服这一问题，人们提出了各种雷击保护的解决方案。其中一些是基于金属元素和粒子的浸没，而另一些则使用新颖的解决方案，如天然导电聚合物或其他类型的高导电粒子，包括碳纳米管和石墨烯。西里西亚技术大学目前正在开发基于本征导电聚合物的全有机导电复合材料的概念。在大量的试验中，包括导电率、承受高强度电荷的能力以及某些工作性能需要与现有的航空防雷解决方案进行比较。下面的研究介绍了所研制的防雷材料的性能，并与其他溶液进行了比较研究。

关键词：雷击防护，导电复合材料，飞机结构。

介绍

在过去几十年中，许多飞机结构的设计理念发生了变化，特别是在机身外部应用了具有聚合物基体的纤维增强复合材料，从而使强度与质量比显著提高，这使得在保持较低的燃料消耗水平的同时达到更高的速度和操纵性的可能性。然而，在制造飞机结构时使用聚合复合材料造成了一个缺点。就闪电现象而言，由于所应用的聚合物是介质，在飞机运行过程中发生的雷击事件会对这种结构造成严重的破坏，这反过来又需要昂贵的修理和测试，显然，使飞机搁浅。由于所使用的聚合物是介电材料，在飞机运行期间发生的雷击事件对这种结构造成严重损害，这反过来又需要昂贵的维修和测试，显然，使飞机停飞长达6个工作日[1]，导致运营费用增加。

雷击由聚合物复合材料构成的结构会引发许多伴随的现象，进一步加剧了结构的退化和崩解。雷击通常发生在飞机起降和穿过风暴云[2]。闪电通常击中飞机的几何极值点(如天线罩、翼尖等)，并沿最短路径(另外也是最传导的路径)穿过结构，在另一个几何极值点[3]退出。在Andrzej Katunin 50这一过程中，出现了几个伴随的现象，高放电导致几乎绝缘的空气变成具有很好的导电能力的等离子体，在产生的闪电通道中温度迅速上升(局部甚至高达30000 K)[4]。伴随着这种现象的是超压和电阻热。第一种现象是声波的出现(当空气充满空雷电通道时)，声波与撞击结构机械地相互作用，使复合材料结构的外部层破裂，在冲击区附近出现裂纹和分层网。这一过程由于复合结构作为电气绝缘体而产生的热量而进一步加强。巨大的放电部分以热的形式消散，在最极端的情况下，达到几千摄氏度的温度[5]。由此产生的热流引发热解过程，如聚合物基体的局部分解和蒸发，以及增强体的烧蚀，甚至结构[6，7]的点火。

为了克服雷击对复合元件产生的影响，近几十年来开发了各种雷击防护(LSP)的解决方案。从各种LSP溶液中可以提到几类：金属化喷漆或涂料的涂层，金属网格和箔的浸渍，以及基于金属粒子、石墨和碳纳米结构分散的溶液，这些溶液的详细概述见[8-10]。最近，西里西亚理工大学(SileaUniversityofTechnologicalUniversity)开发了一种替代复合材料LSP的方法，该方法将本征导电聚合物(ICPS)用作碳纤维增强聚合物(CFRP)结构的导电填料，为了评价这种材料的有效性，有必要对新的和现有的LSP解决方案进行比较。比较这类解决方案的电气和机械性能以及部件的加工性、制造的复杂性和可操作性是本研究的主要目标。此外，还对航空航天标准和LSP系统的要求进行了分析，重点是材料的性能。开发了LSP解决方案，作为目前应用的解决方案的一种有希望的替代方案。

有机导电复合材料

开发全有机导电复合材料的想法源于对现有LSP解决方案的分析，即目前采用的解决方案(例如最新客机，即波音787梦想飞机和空客A 350 XWB的膨胀金属网格和箔)以及原型溶液(例如带有金属化增强纤维、分散金属和非金属粒子的聚合复合材料)。分析[10]的结果表明，现有的解决方案有几个缺点，例如，基于金属网格和箔浸渍的LSP溶液，尽管它们在LSP中具有很高的有效性，却大大地使这种复合材料结构的制造过程复杂化，而且还增加了飞机的质量，因为整个机身应覆盖金属网格或箔。此外，由于金属-聚合物界面的粘着性普遍较低，脱粘可能导致内部结构损伤，如果出现结构损伤，金属网格与环境的相互作用可能会在金属插入件中引发腐蚀过程，导致现有损伤的传播。今天使用的其他LSP溶液，如金属化涂料和用于覆盖复合结构的喷雾剂，由于涂层厚度低，导电粒子含量低，无法正确形成导电路径，在电流很大的情况下通常不起作用。过去十年开发的新溶液有时具有纯粹的科学意义(例如，依赖于碳纳米管分散的溶液)。这类结构的制造成本太高，无法在实践中加以应用。

鉴于以上所述，为了避免各种lsp溶液的缺点，在开发有机复合材料时考虑了以下假设：材料不应包含任何金属插入物，以避免在金属-聚合物界面上的弱粘着性，并保持结构的轻盈度，为了保持一组icps的导电填料的轻盈度，应该考虑以下假设

1. 该材料不应含有任何金属插入物，以避免在金属-聚合物界面上的弱粘着性，并保持结构的重量
2. 为了保持重量，应选择一组ICPS的导电填料
3. 选定的比较方案应广泛提供，并应以一种简单和低成本的综合程序为特点
4. ICP导电粒子的含量应在力学性能和电学性能之间达到折衷，从而使所得材料具有良好的电性能和机械性能
5. 如果要用导电复合材料结构代替目前使用的LSP溶液，那么制造过程就应该是低成本的。

有机复合材料是根据上述考虑从环氧树脂(由于其良好的力学性能和广泛适用于飞机复合材料结构制造)和聚苯胺(PANI)的要求，满足上述所有要求，其特点是在半导体水平上的电导率，这是由一个复合结构的基体与额外的掺杂剂，溶剂，固化剂等组成(详情见[11，12])。利用渗流理论[13]对聚苯胺含量进行了数值模拟，并在试件制造过程中进行了计算[12]。为了获得所需的机械强度和刚度，将碳纤维增强体浸渍到所获得的聚合物混合物中。碳纤维(织物、布)的存在起着额外的作用：形成的渗滤团在材料中形成导电路径。此外，由浸渍的纤维支撑，该纤维也具有导电电流的能力。

对LSP解决方案的要求和比较研究

关于LSP的最具体的建议是由汽车工程师学会（SAE）航天推荐实践（ARP）和几个美国军事标准（MIL STD）给出的。两个主要的工业建议是SAE ARP512A（14）和SAE ARP 514A（15）。这些建议被用作美国联邦法规适用于世界各地的基础。第二个提到的SAE ARPS定义了一个典型的海峡翼喷气式飞机的特定区域的雷击。在6个确定区域中，每个区域都有一个特定的雷电电流波形(在上述工业建议的第一个中定义)，最高电流值(高达200 ka)仅归因于较小的区域，即机头、机翼和稳定器尖端以及涡轮外壳的前端部分，而大部分机身属于第二个区域，那里的电流值要低得多。(最多2 ka)。在此之后，LSP解决方案可以根据特定的雷区在当地应用。考虑到上述建议以及与雷电影响的测试和认证有关的其他建议[16-18]，飞机制造公司开发了自己的LSP控制系统[1]和雷击事件后应用的测试程序[6]。这些建议应符合下列美国联邦监管程序[19]：

系统防雷- 14 CFR 25.1316，包括雷击的直接效应和间接影响，燃料系统防雷14 CFR 25.954和25.981，也包括直接和间接影响，防雷保护-14 CFR 25.581，WHICH包括闪电直接效应，降水静态- 14 CFR 25.899（a）（3）

在欧洲，这些条例是由欧洲民用航空电子机构标准化的。与上述SAE Arps有关的EUROCAE标准概述见[20]。然而，上述文件并没有对材料及其性能提出任何要求。然而，冲击结构的导电性越高，损伤就越少。外国物体损坏(Fod)维护和检查程序，其中阈值是由几乎看不见的撞击损伤(Bvid)和可见冲击损伤(Vid)确定的，确定了雷击事件的特征阈值[21]。这些规律和统计数据表明，雷电放电在5~10 ka范围内最为常见。

为了对新开发的复合材料的性能及其是否符合适用的标准和要求进行定性评估，有必要使用以下标准对这种材料和其他lambda;溶液进行比较：电气sigma;和热sigma;电导率、密度rho;、极限抗拉强度UTS、制造工艺的复杂性以及给定的LSP解决方案的成本。解决方案及其物理性质对飞机结构的LSP很重要，而表2则对某些LSP解决方案的制造技术、相关成本和有效性进行了分析。请注意，表1中的数值仅应视为指示性数值。

表1.LSP溶液中所用材料性能的比较[5，9，22-26]

表2.制造技术和成本

虽然cnt-增强复合材料与LSP相比具有优异的性能，需要简单的制造工艺，但成本太高，无法在工业上应用于LSP。进一步分析结果表明，所提出的LSP解决方案(ICP-基复合材料)具有与浸没金属网格或箔金属化纤维复合材料相似的物理性能，但是，由于它们的有机质，密度明显低，需要更简单的制造技术。在进行LSP分析和规范之后，所开发的有机导电复合材料可以被认为是未来飞机结构中使用的替代LSP解决方案的合适候选。

总结

本研究重点对各种LSP溶液的物理性能和制造工艺进行了比较分析，包括所开发的有机导电复合材料在飞机结构防护中的技术经济效果，分析了法规和标准，并进行了比较研究，结果表明，所开发的复合材料可作为飞机结构LSP解决方案的候选材料。由于其具有良好的强度/质量比、可接受的导电性和热导率以及低成本的制造工艺，进一步的研究将集中在改进所研制的复合材料的物理和工艺参数上。

参考

[1] Forget F., Ground lightning protection. An adapter for Ground Power Units, Airbus

Technical Magazine, 53, 4-9, 2014.

[2] Mall S., Ouper B.L., Fielding J.C., Compression strength degradation of nanocomposites

after lightning strike, Journal of Composite Materials, 43, 2987-3001, 2009.

[3] Gou J., Tang Y., Liang F., Zhao Z., Firsich D., Fielding J., Carbon nanofiber paper for

lightning strike protection of composite materials, Composites Part B: Engineering, 41(2),

192-198, 2010.

[4] Abdeal G., Murphy A., Nonlinear numerical modelling of lightning strike effect on

composite panels with temperature dependent materials properties, Composite Structures,

109, 268-278, 2014.

[5] Katunin A., Krukiewicz K., Preliminary analysis of thermal response of dielectric and

conducting composite structures during lightning strike, Composites Theory and Practice,

16(1), 8-14, 2016.

[6] Sweers G., Birch B., Gokcen J., Lightning strikes: protection, inspection and repair, Aero

Magazine, 4, 19-28, 2012.

[7] Chemartin L., Lalande P., Peyrou B., Chazottes A., Elias P.Q., Delalondre C., Cheron B.G.,

Lago F., Direct effects of lightning on aircraft structures: analysis of the thermal, electrical

and mechanical constraints, Journal of Aerospace Lab, 5, AL05-09, 1-15, 2012.

[8] Rupke E.J., Lightning direct effects handbook, Lightning Technologies Inc., Pittsfield, MA,

2002.

[9] Gagneacute; M., Therriault D., Lightning strike protection of composites, Progress in Aerospace

Sciences, 64, 1-16, 2014.

[10] Katunin A., Krukiewicz K., Herega A., Catalanotti G., Concept of

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