看点ℱ当碳纤维复合材料遇上雷电，更显非凡特质！
本文摘要：（由ai生成）
飞机在雷电季节能正常飞行得益于其使用的碳纤维增强树脂基复合材料。实验通过模拟雷击，利用高分辨率脉冲超声成像技术检测复合材料的损伤情况。结果显示，雷击在50kV电压和27kA电流下主要导致表面和近表面损伤，深度约0~0.5mm。超声成像技术有效揭示了内部损伤及其3D分布特征，证明了该技术在无损检测领域的应用潜力。飞机的复合材料结构确保了飞行安全，即使在恶劣天气条件下。
夏天不仅空气潮湿闷热，还动不动雷电交加。于是，需要经常出差，尤其是经常跨国飞行的朋友而言，乘坐飞机成为了一件头疼的事情。
可是即使是如此恶劣的夏季天气，也始终未能阻挡飞机的正常起飞。
或许，看到这里，你的脑海中会闪过无数飞机遭受雷电袭击时千钧一发的惊心动魄，比如这样：
但是让很多人大跌眼镜的是，即使在恶劣的气候环境中，飞机依旧可以平稳飞行，安全降落，丝毫不会受到天气的影响。
于是，很多人觉得好奇，能够逃过夏季重重密布的雷电，飞机的机身是用什么材料制作的呢？
为了验证这个问题，有人针对飞机的飞行环境，使用碳纤维增强树脂基复合材料做了一组实验。通过实验，还原了整个飞机穿过雷电云层的整个过程，让大家在感慨科技发达之余，惊叹于碳纤维增强树脂基复合材料的魅力。
本文针对碳纤维增强树脂基复合材料层压结构，设计制备了不同的复合材料层压结构试样，通过雷击模拟，对复合材料试样进行雷击冲击，然后，基于超声反射原理，利用高分辨率脉冲超声自动扫描成像检测方法，揭示复合材料受到雷击后在复合材料试样中引起的损伤及行为特征。
利用闪电冲击模拟雷击，将闪电设备的放电端子置于复合材料试样的中心位置上方，进行雷击放电模拟。闪电电压U 和电流I 通过闪电设备设置，其雷击模拟原理是，通过闪电设备中的高压单元对电容进行充电，形成放电高压，然后，控制高压电容快速放电，通过放电端子在试样上方产生一个瞬时高压放电脉冲，对试样进行闪电冲击，形成雷击作用，雷击电压约为50kV，放电电流约为27kA。
利用超声成像检测方法。超声成像检测是基于声波的传播行为，入射声波在复合材料内部传播，当在其传播路径上出现损伤或者缺陷时，则入射声波原来的传播行为会发生某些改变，这种变化与损伤区的声学特性和几何特征等有关，如在损伤周围，入射声波将会产生反射。
通过专门的超声检测设备，对被检测复合材料进行扫描，提取每个检测位置点的ur ，即可实现检测结果的超声成像。基于此原理，对经过雷击试验后的复合材料试样进行超声反射法检测试验分析，并通过控制系统实时将对应每个检测点位置信息传送到成像系统，将来自换能器的超声检测信息和位置信息进行重构，形成成像信号，从而将对应的检测结果在显示单元实时显示。
检测结果与分析
1 缺陷表征方法
为了分析闪电在复合材料试样中引起的雷击损伤面积和分布特征，采用图3 所示的缺陷表征方法：
通过图片能够直接看出，闪电在复合材料试样表面或者内部引起的雷击损伤在相反方向取向越明显，损害扩展就会明显减弱，而闪电在复合材料试样表面或者内部引起的雷击损伤沿同一取向越明显，损害扩展就越明显。
2 结果与分析
图4 是经过雷击后，在复合材料试样表面形成的目视损伤检测结果
从图4中可以清晰地看出：
（1）在试样中心位置，损伤最严重，且试样表面纤维出现了非常明显的“起毛”和烧伤情况，如图中白色箭头标示的损伤，这主要是由于在试样中心位置，是放电端子作用位置，也是雷击脉冲主瓣作用区域，因而放电电流最大，造成的损失最明显；
（2）雷击损失在试样45°方向有一个明显的取向分布特征，这可能与试样中铺层纤维的取向有关；
（3）在试样表面雷击损伤区还可以清晰地看出许多呈现随机分布的“鼓包”损伤，其大小不一，如图中白色箭头所标示的区域，这主要是由于雷击过程，不同能量放电脉冲“火花”与试样表面相互作用产生的雷击损伤；
不过，从图4 中的目视检测结果难以得到雷击在试样内部产生的损伤情况，这可以通过超声检测方法来揭示雷击在试样内部产生的损伤情况。
图5 是试样中雷击损伤的超声C- 扫描成像结果，从图中可以清晰地看出：（1）雷击在试样内部产生的损伤面积和区域，如图中白色虚线所标示的区域；
（2）图5中显示的内部雷击损伤与图4中显示的表面目视雷击损伤所反映出的分布取向特征相一致；
（3）图5中显示的内部雷击损伤几乎连成片，而在图4 中则呈现了许多分散分布的小“鼓包”损伤，这是因为C- 扫描反映的是试样内部雷击损伤在厚度方向的投影叠加后的结果；
（4）内部雷击损伤与表面雷击损伤存在一定的拓展联系，比较图4 和图5 中显示的雷击损伤区域分布形状，不难看出二者存在相一致的面积扩展趋势联系，如图4 和图5中虚线所标示的损伤区域所示，这主要是由于雷击脉冲能量从试样表面沿厚度方向向其内部扩展所致；
（5）从图5 中可以十分清晰地看出在非雷击作用区，其成像灰度分布非常均匀，表明试样内部这些区域没有出现雷击损伤；
图6是对复合材料试样进行超声B- 扫描成像检测的结果，对应试样中心位置附近的其中一个断面位置，声波从试样雷击作用区的对侧入射，图中F 和B 分别对应试样的表面和底面（雷击作用区一侧）。
从图 6 中可以非常清晰地看出：
（1）试样断面轮廓，表明入射声波完全穿透了试样，并在试样底面和表面形成了清晰的声波反射，也表明入射声波能够有效传播到雷击损伤区；
（2）从图6 中灰度分布，可以清晰地看出试样内部铺层分布特征，即层压铺层拓展分布情况，如图6 中沿水平方向呈现“ 波浪”状分布的白色灰度条带所示，这主要得益于采用高分辨率超声检测技术，采用图2 所示的超声扫描成像试验系统，回波脉冲特性可以达到单个周期，此时，其检测分辨率和表面检测盲区可以稳定地达到单个复合材料铺层的厚度，约0.13mm；
（3）从图6 中可以非常清晰地看出，雷击损伤明显位于试样近表面，这表明闪电电压在50kV、电流在27kA 左右时，雷击在复合材料试样中产生的损伤主要位于复合材料层压结构表面和近表面，从图6 中不难得出雷击损伤在试样厚度方向主要分布在约0~0.5mm 的深度范围，即此时，雷击主要是造成试样近表面几个纤维铺层的破坏；
（4）从图6 中还可以非常清晰地看出雷击损伤沿试样厚度方向分布特征，即雷击损伤区由若干个不同位置和深度的小损伤构成，如图白色箭头所标示的白色灰度区，这与图4中目视检测结果相一致；
（5）从图6中超声B- 扫描结果，还可以看出，雷击损伤由试样表面向内部的增进和拓展特征，这主要是因为，在进行超声B- 扫描成像检测时，所采用的超声系统能够有效提取到来自位于不同深度铺层的损伤的声波信息，因而，在图6 中可以清晰地看出损伤的构成特征和沿试样深度方向的拓展细节。
结 论
（1） 在雷击电压为50kV、电流为27kA 时，雷击在T700/BA9916 碳纤维复合材料层压结构中会产生明显的目视表面损伤和内部损伤，损伤深度分布主要位于0~0.5mm 范围内。
（2） 采用高分辨率脉冲超声反射法，通过超声C- 扫描成像方法，可以非常有效和清晰地揭示雷击在复合材料层压结构中产生的损伤区域、面积、沿铺层方向的取向等损伤行为特征。在超声C- 扫描成像中损伤分布特征与试样表面目视观察到得的损伤存在一致的关联特征，不过，利用超声C- 扫描成像检测方法，能够更加有效地检出复合材料内部的雷击损伤及其确切的分布特征、大小等。
（3） 超声C 扫描成像结果表明，雷击在复合材料内部引起的损伤要比在表面引起的损伤大的多。
（4） 借助高分辨率超声B- 扫描成像方法，可以十分有效地揭示出雷击损伤在复合材料试样断面中的分布、深度及其在厚度方向的拓展特征，与超声C- 扫描相结合，可以非常有效的得到雷击损伤在复合材料层压结构中的3D 分布特征，而且利用所采用的高分辨率超声B- 扫描成像技术，还可以得到复合材料层压结构厚度方向的铺层拓展特征。
因此，所研究的高分辨率超声反射法及其成像检测技术和检测系统为复合材料雷击损伤的无损检测与损伤行为的研究提供了一种非常有效的检测手段。目前，该项检测技术及其超声检测系统已经得到了大量的实际检测应用，取得了非常好的检测效果。
原来雷电季节里，飞机还能正常出行，不仅离不开日益成熟的科技成果，更依赖于近乎无懈可击的复合材料。
来源：红眼兔
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