热塑性复合材料的电弧附着特征

2023-09-26谢敏骐肖慈恩卞嘉鹏刘亚坤陈秀华刘力博

上海交通大学学报 2023年9期

谢敏骐, 肖慈恩, 卞嘉鹏, 刘亚坤, 范寅, 陈秀华, 刘力博

(1. 上海交通大学航空航天学院, 上海 200240; 2. 上海交通大学电子信息与电气工程学院, 上海 200240; 3. 中国商飞复合材料中心, 上海 200135)

雷电是自然界频发的一种强电磁脉冲放电现象.以飞机为代表的航空器在起飞、降落、穿过积雨云等多个过程中极易遭受雷击,统计得到平均每架飞机飞行3 000 h遭受一次雷击[1].同时,复合材料在航空器(如大型民用飞机Boeing 787和Airbus A350XWA等)的用量不断增长[2-3],其中,碳纤维增强热塑性复合材料(Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic, CFRTP)作为新型材料,具有较高的韧性、损伤容限、使用温度和较短的加工周期等优点[4],近年来开始在航空器的空气动力稳定器、机翼后缘板、雷达天线罩等部件上应用[5].复合材料具有较差的导电及导热等特性,其在遭受雷击时因局部无法短时间内将大量电荷转移或扩散,极易造成蒙皮材料的燃烧、熔融、结构畸变甚至爆炸[6-10].由于基体材料体系的差异,CFRTP与现有常用的碳纤维增强热固性复合材料相比,材料参数存在差异,且与热固性复合材料升温到某一阈值后树脂即发生化学反应、化学键断裂,损伤不可逆不同。CFRTP在受热升温过程中,首先是可逆的物理融化过程,直至达到某一阈值后才进入不可逆的热解过程[11].因此,CFRTP的雷击特性和损伤响应是一个值得关注的科学问题.

CFRTP的雷电电弧附着特征是研究其雷击特性和损伤响应的基础,材料的雷电电弧附着特征主要受到材料电导率、表层电荷激发能力、结构构型、环境因素等影响[12].在结构构型影响方面,国内外学者通过模拟雷击试验和电磁仿真计算的方法,研究了材料不同结构构型下的雷电电弧附着特性,形成了如适用于飞机分区雷电测试的SAE-ARP5414等国际标准[13-18].在明晰了材料结构构型的影响后,需研究新型CFRTP对雷电电弧附着特征的影响,分析电导率各向异性的CFRTP的存在对空间电场的改变效应,并与传统金属材料的雷击特性进行对比,揭示新型CFRTP的先导发展和雷电电弧附着特征,对新型CFRTP的工程推广应用具有重要意义.

为此,本文选取碳纤维/聚偏氟乙烯的CFRTP为研究对象,选取相同几何尺寸下的钢合金Q235B作为对照试验件,开展了CFRTP 的模拟雷电冲击试验,获取了米级间隙击穿过程下的放电通道光学形态图像和CFRTP的雷电电弧附着特性,并基于电磁有限元分析软件COMSOL Multiphysics建立了试验背景电场的分析模型,采用模拟雷电试验和电磁仿真计算方法,探讨了CFRTP 的雷电电弧附着特性.

1 试验平台设计

本文采用的CFRTP的型号为Evolite F1050,树脂基材料为聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride, PVDF), 碳纤维体积分数为50%,试品尺寸为400 mm×400 mm×1.5 mm,单层厚度名义值为0.25 mm,碳纤维铺层方向为[0/90]3.依据CFRTP试验件的几何尺寸,设置同尺寸的钢合金Q235B作为对照试验件.实验室环境条件保持在温度15 ℃,湿度70%.试验前,对试验样品进行去除氧化层、去除污点的洁净处理,并真空干燥去除水汽,同时,使用超声检测法扫描CFRTP试验件及金属试验件,判明试验件内部无损伤和工艺缺陷,从而减少因氧化、污秽、内部缺陷等带来的试验误差.

试验采用棒电极-空气间隙-试验件的布置方法模拟雷击放电的先导过程.其中,棒金属电极为直径10 mm的圆柱体,与模拟雷电的Max串级冲击电压发生器相连,且棒电极吊挂的高度和角度可调可控.在试验件布置中,将CFRTP试验件和金属试验件以棒金属电极为中心线等距布置,CFRTP试验件与金属试验件边缘距离0.8 m,棒金属电极尖端距离试验件垂直高度1 m,且均采用试验件底面中心点等面积接地方式,消除因放电距离、布置方式、接地条件等带来的试验误差.同时,采用高压支柱绝缘子实现试验件的对地绝缘.棒电极-空气间隙-试验件的试验设计如图1所示.

图1 棒电极-空气间隙-试验件的试验设计图Fig.1 Diagram of discharging electrode, air gap, and test plate setup

如图2(a)所示,模拟雷电的Max串级冲击电压发生器采用上海交通大学高电压实验室型号为SJTU-3000的 3 000 kV冲击电压发生器.其可输出电压幅值达 3 000 kV、极性可调(正/负极性)的标准雷电冲击电压(波形为1.2/50 μs),采用分压比为 2 000∶1 的冲击电压电容分压器测量试验波形,分压器输出电压信号经电缆传输至屏蔽室内的Tek 3012示波器进行记录.试验过程的放电通道特征采用遥控高速照相机方式完成光学拍摄和图像记录.试验现场布置如图2(b)所示.为认识CFRTP 的雷电电弧附着特性,共开展80次模拟雷电冲击电压试验.其中,40次完整试验后交换CFRTP试验件和金属试验件的位置,从而验证所得结论的稳定性.

2 结果分析与讨论

2.1 放电通道形态观测

依据试验方案共进行80次冲击电压模拟雷电试验,其中,放电电弧仅附着于金属试验件和CFRTP 试验件的次数分别为49次和31次,分别占总试验次数的61.25%和38.75%,其中,典型模拟雷电冲击电压下放电通道图像如图3所示.分析图3可知,流注从棒电极头部向空间发展,形成流注分叉结构,流柱头部分别指向金属试验件和CFRTP 试验件,其中一条流注分支未贯穿空气间隙,另一流注分支贯穿金属试验件和棒电极间的空气间隙形成放电通道.同时,在金属试验件和CFRTP试验件的竞争接闪过程中,当雷电负极性下行先导梯级向下发展时,下行先导头部聚集有大量空间电荷,进一步影响试验件所在的空间电势分布,致使试验件表面发生背景电场的畸变,促进先始发上行先导试验件的放电发展及其与下行先导的连接.

图3 1.2/50 μs冲击电压作用下不同电弧附着位置的放电通道观测结果Fig.3 Discharge channels with different arc attachment points at a 1.2/50 μs impulse voltage

冲击电压试验中共出现7次存在试验件表面形成多个电弧附着点的现象,如图4所示.6次放电过程的电弧附着点均位于同一试验件,其中金属试验件发生3次(见图4(a)),CFRTP试验件发生3次(见图4(b));1次放电过程的电弧同时附着在金属试验件和CFRTP试验件(见图4(c)).分析图4(d)可知,在金属试验件已经发生电弧附着现象时,CFRTP试验件表面仍出现上行先导,但未拦截下行先导形成对地放电通道.因此,当航空器中的CFRTP材料与金属材料存在于相似雷电背景电场环境下,金属材料不能完全屏蔽或保护CFRTP不受雷击,CFRTP材料仍有一定概率遭受雷击损伤.同时,会出现金属试验件和CFRTP试验件同时遭受雷击的情况.因此,在飞机等航空器应用CFRTP时,上述现象值得在航空器的防雷设计和风险评估中引起关注.

图4 1.2/50 μs冲击电压作用下多个电弧附着位置的放电通道观测结果Fig.4 Discharge channels with multiple arc attachment positions at a 1.2/50 μs impulse voltage

进一步分析飞机结构件中金属材料和CFRTP相邻安装的情况,如图5所示.其中,L1为CFRTP板件雷击点至边缘处的距离,L2为金属板件雷击点至边缘处的距离,ΔL为CFRTP板件与金属板件的装配间隙.由于CFRTP的电导率远低于金属材料电导率[19],当两种材料或者其中一种材料遭受雷击时,极易在相邻间隙ΔL内存在较大电压差,短间隙内易形成火花放电.

图5 相邻CFRTP板件与金属板件电弧同时附着示意图Fig.5 Diagram of arc adhesion between adjacent CFRTP composite plate and metal plate

2.2 背景电场分布的仿真分析

2.2.1数学模型及仿真方法为了模拟实际试验过程中,长间隙放电瞬间的空间电场分布特性,建立同时包含复合材料、金属材料、空气域的多场模型.模型采用分步计算的方式,第1步计算主要考虑空气域未发生热电离状态下的电场分布,得到多场模型近稳态的空间电场分布.同时以第1步的计算结果作为初始状态,第2步基于空气域的材料热动力学参数和输运参数曲线,计算高压源附近区域局部热电离状态下的电场分布,以更符合实际放电通道的发展与附着过程中的参数分布特点.

长间隙放电的电磁热耦合过程符合以下方程的描述.

麦克斯韦方程组:

(1)

(2)

(3)

(4)

欧姆定律:

J=σE

(5)

式中:J为电弧区域电流密度分布;B为电弧区域的磁感应强度分布;μ为电弧等离子体的磁导率;E为电弧区域的电场强度分布;t为时间;σ为材料电导率.

2.2.2计算与分析依据本试验选用的试验件尺寸,基于有限元仿真软件COMSOL Multiphysics,以试验板中心点与放电电极三点所在平面,建立同尺寸的二维仿真模型,二维模型的计算结果仅代表当前所在截面.定义CFRTP板的各向异性电导率,金属材料和空气域的材料参数采用材料库定义,具体材料参数汇总如表1所示,其中T为温度.空气域的输运特性参数和热动力学参数基于Capitelli等[20]研究成果定义.

表1 试样材料参数定义Tab.1 Parameters of composites and metal specimen

采用幅值120 kV的点电压源模拟放电电极下表面,接地方式依据试验现场布置定义为底面局部接地,计算雷电冲击电压施加瞬间的背景电场空间分布特性,计算结果如图6所示.图中:U为电势;x为水平位置;h为高度.定义放电区域内距阳极试验件底面接地处的垂直距离为h,由图6(a)可知,试验电极尖端下方700 mm的区间范围内,空间电势整体近似沿中心对称,呈现中心大、两端小的分布特性.由图6(b)可知,由于电导率差异,整体背景电场呈现不对称分布的特征,距阳极试验件平面高度300 mm内,CFRTP近区电势整体高于金属材料近区.阳极试验件表面即h=3 mm处,CFRTP近端电势为784 V,因此CFRTP试验件与放电电极间的电势差为119.2 kV,金属试验件与放电电极间的电势差为120 kV,均高于长空气间隙起晕的临界电压,依据空间电场分析可知,金属试验件相较于CFRTP试验件更易发生空气击穿现象,形成雷电电弧的附着通道.同时,分析图6(b)电势分布曲线中可知,试验电极至CFRTP边缘处的电势梯度变化低于试验电极至金属材料处的电势梯度,该结果表明电弧附着于CFRTP的发展速度可能会低于附着于金属材料的发展速度,需进一步试验观测.