树脂基碳纤维增强型复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP)凭借其优异的性能被广泛应用于航空领域。复合材料用量已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一。大型商用飞机Airbus A350XWA上，以 CFRP 为主体的复合材料使用比例超过53%；相比之下，国产大飞机C919复合材料使用比例仅12%。雷击严重威胁着以复合材料为主体架构的新型飞机的安全运行，因此CFRP材料雷击损伤机理研究对于先进航空材料的应用及发展具有重要的科学意义和应用价值。
十几年来，对于雷击作用下CFRP的试验及仿真研究多聚焦于电热效应，对机械冲击关注较少。然而分层和内部损伤明显涉及力学效应，仿真与实验结果的误差也被归因于力学效应。对复杂雷击力学效应认知上的不足阻碍了CFRP的雷击防护（LSP）结构设计进程。
近日，西安交通大学（XJTU）姚学玲教授团队将复杂雷击力学效应解构，并加载到CFRP的修正渐进损伤模型，研究并比较了各雷击力学分量作用下CFRP的动力学响应和损伤模式，定量评估了大幅值脉冲雷电流作用下各雷击力学分量的损伤贡献，更新了CFRP雷击防护结构设计理念。文章发表于国际复合材料Top期刊《Composites Part B》，论文标题为“Analysis of the damage effects of carbon fiber composites under the mechanical impact loads of lightning based on a modified simulation calculation method”。
为评估雷击对飞机的直接影响，SAE ARP5412规定了雷电流波形，包括雷电流 A、B、C 和 D 分量。其中，雷电流 A 分量为初始回击雷电流，峰值高达 200 kA，持续时间小于 500 μs。在脉冲电流作用下，力学效应非常明显，可导致层合板断裂、分层和穿刺。因此，主要研究 CFRP 层压板在雷电流 A 分量的力学冲击载荷下的破坏效应。
有效冲击区域内雷电冲击载荷(MILs)的测量方法及MILs解构示意图，如图17a。该研究将复杂的雷击力学效应分解为电磁力(EMF)、电弧通道膨胀产生的声冲击波(AESW)表面材料爆炸产生的冲击波过压(SESW)。MILs峰值(Fp)与电流峰值(Ip)的拟合关系如下：
图1. 雷电流A分量作用下的力学效应研究团队深入研究了CFRP在三种幅值雷电流（150 kA、165 kA 和 180 kA）产生的 AESW、EMF、SESW 和 MILs作用下的动力学响应和损伤模式。通过比较表面中心点法向位移、中心线法向位移分布和损伤面积，综合评估了各力学分量作用机制和损伤贡献。
图2. 中心点位移
图3. 沿定义路径上的法向位移分布
图4. 损伤面积比较进一步地，研究团队研究了MILs作用区域、脉冲雷电流峰值、试品厚度等对CFRP力学损伤响应的影响。
图5. AESW-400 kA 和EMF-200 kA作用下CFRP的表面损伤云图
图6.厚度对CFRP损伤响应的影响研究结果显示，在 MILs 作用下，CFRP 层压板的变形程度、损坏程度和破坏速度与雷电流幅值有关，并与冲击半径成反比。与 AESW 和 EMF 相比，CFRP 层压板在 SESW 下的响应速度更快。此外，研究还发现，在 MIL 中，SESW 作用下 CFRP 层压板的损伤效应占主导地位。AESW、EMF 和 SESW 的叠加会加剧损伤效应。SESW 是由于复合材料的导热性能不足造成的，这在 LSP 结构设计中不容忽视。随着电流增加，AESW 效应逐渐饱和，并被 EMF 效应超越。这是因为放电间隙限制了冲击波的叠加强度。有趣的是，在 EMF-200 kA 条件下，CFRP 层压板的损坏后果与 AESW-400 kA 条件下的损坏后果相似。
该研究将雷电的力学冲击载荷分解为EMF、AESW和SESW，认定高幅值脉冲雷电流注入CFRP过程中产生的最强力学分量是SESW，剧烈SESW是由于CFRP 层压板的导热性能不足引起的。这一研究结果将加深对雷电流冲击力学效应的理解，对更新复合材料 LSP 结构设计理念具有重要的理论和工程意义。
关于作者：
论文第一作者为西安交通大学电气工程学院博士生李树，通讯作者为西安交通大学电气工程学院姚学玲教授和孙晋茹副教授。研究团队依托西安交通大学电工材料和电气绝缘全国重点实验室、陕西省高电压大电流测试技术及装备工程实验室，在国内率先开展了雷电流测试技术的研究，积累了深厚的理论基础、实验数据及工程实践经验，深耕航空航天复合材料雷电效应及电磁防护技术。发表学术论文160余篇，授权国家发明专利80余项，研究成果获国家科技进步二等奖2项（其中第一、二完成人各1项）、省部级一等奖2项，二等奖3项，何梁何利青年创新奖。