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在空天动力技术发展中，CFRP（Carbon Fiber Reinforced Polymer，碳纤维增强聚合物）复合材料在飞机的应用逐渐成为提升飞机核心性能的关键技术之一，其用量也成为衡量飞机先进性的重要指标之一。然而，由于CFRP复合材料垂直纤维方向和深度方向电导率很低，其在雷击下易发生热烧蚀等直接损伤，且无法阻挡电磁波对机载精密电子仪器造成干扰，严重威胁着飞机的安全。 近日，同济大学（TJU）付昆昆团队探索了一种新型的全导电CFRP复合材料，基于导电网络构筑方法，利用四针状导电粒子在CFRP复合材料内部构建三维导电网络，大幅度提高了CFRP复合材料的整体电导率，兼具了雷击防护、电磁屏蔽和层间增韧效果，为复合材料飞机雷击防护设计提供了新思路。文章发表于国际知名期刊《Composites Part B: Engineering》，论文标题为“Highly conductive CFRP composite with Ag-coated T-ZnO interlayers for excellent lightning strike protection, EMI shielding and interlayer toughness”。同济大学航空航天与力学学院朱慧鑫博士为论文第一作者，同济大学航空航天与力学学院付昆昆教授为论文通讯作者。感谢国家自然科学基金委（12172257）、上海科技创新行动计划（22511102600）和中央高校基本科研业务费专项资金对该工作的资助。
该研究聚焦于轻量化、高导电航空CFRP复合材料的开发和应用，区别于一维和二维轻质碳系导电材料，开发了具有三维结构的四针状高导电镀银氧化锌（Ag/T-Zno）粒子，插层于CFRP层间取代树脂富集区域，在低含量下实现了CFRP的全导电，并探索了该复合材料在航空领域的应用潜力。
研究团队深入分析了导电CFRP复合材料在纤维方向、垂直纤维方向和厚度方向的电学性能，探讨了导电插层含量对各向异性电导率的影响。通过搭建CFRP复合材料各向异性电导率测试平台，测试了导电CFRP复合材料电导率的变化。
为评估复合材料的抗雷击性能，研究团队利用大电流发生器开展了电流峰值高达100 kA的模拟雷击试验，并通过超声波空气耦合和相控阵无损检测技术，检测了初始CFRP和导电CFRP复合材料的雷击损伤状态，验证了导电CFRP复合材料在雷电防护方面的优越性。
研究团队利用有限元分析软件，构建了包含Ag/T-ZnO导电插层的CFRP复合材料模型，深入分析了导电CFRP复合材料的雷击防护机理，为内部分散型雷击防护系统的设计提供了新思路。
此外，研究团队利用矢量网络分析仪测试了导电CFRP复合材料的电磁屏蔽性能，并深入分析了其电磁屏蔽机理，得出多个阻抗不匹配界面对电磁波造成的反射损伤是导电CFRP复合材料拥有优异电磁屏蔽效能的主要原因。
为了评估Ag/T-ZnO导电插层对CFRP复合材料层间韧性的影响，研究团队开展了DCB（double cantilever beam，双悬臂梁）实验，详细解释了四针状导电粒子对复合材料层间韧性的影响。
研究结果显示，随着碳纤维层间Ag/T-ZnO粒子含量的增加，复合材料的垂直纤维方向和厚度方向电导率大幅增加，当每层含量增加到0.50 g时，垂直纤维方向和厚度方向的电导率分别增大到2354.31 S/m和7.69 S/m，是初始CFRP复合材料的229.7和22.44倍；电磁屏蔽性能达到了40.99 dB，比未添加Ag/T-ZnO粒子提高了26.46 dB。雷击模拟试验表明，准各向同性Ag/T-ZnO/CFRP复合材料的雷击损伤面积和深度比未保护的CFRP分别降低了94.52%和69.23%。此外，Ag/T-ZnO插层提高了复合材料的层间韧性，增加了其面外承载能力。 该研究提出了一种利用四针状导电粒子在CFRP复合材料内部构建三维导电网络实现雷击防护的方法，大幅度提高了CFRP复合材料整体电导率，比初始CFRP复合材料垂直纤维方向和厚度方向的电导率分别提升了229.7倍和22.44倍。兼具了雷击防护、电磁屏蔽和层间增韧效果，为飞机雷击防护设计提供了新思路。 Zhu, H., Fu, K., Huang, T., Liu, H., Yang, B., Zhou, Y., & Li, Y. (2024). Highly conductive CFRP composite with Ag-coated T-ZnO interlayers for excellent lightning strike protection, EMI shielding and interlayer toughness. Composites Part B: Engineering, 111448. |
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