Research on conductive characteristics of carbon fiber reinforced composites under non-destructive lightning current

Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) has been widely used due to its excellent physical and mechanical properties, especially in the aerospace industry. In the development trend of modern aircraft towards “multi-electrical and light-weight”, composite materials are gradually replacing traditional metallic materials, and the proportion of use on the fuselage is now as high as 50%. Although CFRP has significant mechanical properties, its electrical and thermal conductivity is inferior to that of metallic materials. In the face of inevitable lightning strikes, damage on CFRP is more severe, and damage volume is closely related to material composition. Studies have focused on the conductivity at low DC currents or damage development at standard lightning amplitudes. Research on the dynamic conductivity characteristics of CFRP materials under non-destructive lightning currents in this paper helps to bridge existing studies. Researches on CFRP conductivity at standard currents with lower amplitude lays foundation for damage prediction, lightning protection, and non-destructive testing. CFRP materials will have broader application prospects. In this paper, lightning current test loops with different parameters are first established, then the spectrum of lightning currents with different parameters is analyzed. Results show that as the duration of lightning current waveform decreases, energy gradually shifts from low frequency section to high frequency section. The effects of lightning current amplitude, waveform time parameters and temperature on the electrical conductivity of CFRP materials are studied experimentally. Experimental results show that, under non-destructive lightning current, overall impedance of CFRP samples is inductive and its variation exhibits nonlinear characteristics. As the amplitude of lightning current increases, sample impedance decreases due to the increase of carrier concentration. As the wavefront time increases, the proportion of high-frequency component in lightning current decreases, and this reduces CFRP impedance. As test temperature increases, CFRP sample impedance decreases first and then increases. This stems from the synergy of increase in thermal electrons and the thermal expansion. The complex impedance of CFRP sample can be obtained via spectrum data, and the effective resistance is computed with theits real part. The statistical fitting analysis of CFRP effective resistance shows that the CFRP effective resistance is a logarithmic to current amplitude and temperature, which is the result of the interaction of tunneling electrons and thermal emission electrons. Since it’s hard to traverse all the conditions in experiment, in order to determine the critical current value of sample damage initiation, the distribution of electric field and temperature is calculated by means of finite element method with ABAQUS. In simulation, field distribution in both in-plane and through-thickness directions are calculated and the distribution law of gradient field is analyzed. Although obtained in non-destructive experiments, critical current value of damage has a certain connection with the destructive experimental results. The simulation shows that the distribution of electric field is affected by the stack sequence and the fixture mode. When there are multiple ply angles and the current mainly flows in the plane, the electric field distribution is relatively uniform. The high temperature region is very small compared to the high field strength region and basically stays only in the first layer of the sample. The current amplitude at which the sample exhibits a measurable temperature rise is about 750 A, and the current amplitude with a significant temperature rise is about 4 kA. The fitting function of CFRP effective resistance with current amplitude and temperature as variables provides a data basis for the establishment of conduction network model and calculation of current density distribution. Thermoelectric coupling simulation results using effective resistance can be used to predict the initial threshold of damage, hence connect non-destructive and destructive experimental results and contribute to the development of lightning protection and non-destructive testing techniques.

Il presente lavoro di tesi riguarda lo studio delle proprietà elettriche di tessuti compositi in risposta a fulmini, con particolare riferimento a quelli in fibra di carbonio, meglio noto come CFRP (plastica rinforzata con fibra di carbonio). Il CFRP è stato ampiamente utilizzato per le sue eccellenti proprietà fisiche e meccaniche, in particolare nell'industria aerospaziale. Nel trend di sviluppo dei velivoli moderni verso "multi-elettrico e leggero", i materiali compositi stanno gradualmente sostituendo i materiali metallici tradizionali e la proporzione di utilizzo sulla fusoliera raggiunge ora il 50%. Sebbene CFRP abbia notevoli proprietà meccaniche, la sua conducibilità elettrica e termica è inferiore a quella dei materiali metallici. In risposta a possibili fulminazioni, il danno su CFRP è più grave e il volume del danno è strettamente correlato alla composizione del materiale. Gli studi si sono concentrati sulla resistività DC oppure sullo sviluppo del danno alle ampiezze standard dei fulmini. La ricerca sulle caratteristiche di conducibilità dinamica di CFRP per effetto di correnti non distruttive di fulmine in questa tesi si pone l’obiettivo di colmare gli studi esistenti. Ricerche sulla conducibilità di CFRP a correnti standard gettano le basi per la previsione dei danni, la protezione dai fulmini e i test non distruttivi. Il CFRP avrà prospettive applicative più ampie. In questa tesi vengono dapprima stabiliti i circuiti di prova della corrente di fulmine con parametri diversi, quindi viene analizzato lo spettro delle correnti di fulmine con parametri diversi. I risultati mostrano che quando la durata della forma d'onda della corrente del fulmine diminuisce, l'energia passa gradualmente dalla sezione delle basse frequenze alla sezione delle alte frequenze. Gli effetti dell'ampiezza della corrente di fulmine, i parametri temporali e la temperatura sulla conduttività elettrica di CFRP sono studiati sperimentalmente. I risultati sperimentali mostrano che, in condizioni di corrente non distruttiva, l'impedenza complessiva dei campioni di CFRP è induttiva e la sua variazione mostra caratteristiche non lineari. Con l'aumentare dell'ampiezza della corrente di fulmine, l'impedenza del campione diminuisce a causa dell'aumento della concentrazione della portante. All'aumentare del tempo di fronte d'onda, la proporzione della componente ad alta frequenza nella corrente di fulmine diminuisce, riducendo l'impedenza di CFRP. All'aumentare della temperatura di prova, l'impedenza del campione CFRP inizialmente diminuisce e successivamente aumenta. Ciò deriva dagli effetti simultanei dell'aumento degli elettroni termici e dell'espansione termica. L'impedenza complessa del campione di CFRP può essere ottenuta tramite i dati dello spettro e la resistenza equivalente del campione CFRP viene calcolata con la parte reale. L'analisi di adattamento statistico della resistenza equivalente CFRP mostra che la resistenza equivalente CFRP ha una relazione logaritmica naturale con l'ampiezza e la temperatura correnti, che è il risultato dell'interazione tra elettroni a tunnel ed elettroni a emissione termica. Poiché è difficile testare tutte le condizioni dell'esperimento, al fine di determinare il valore di corrente critico di inizio del danno del campione, la distribuzione del campo elettrico e della temperatura viene calcolata mediante il metodo degli elementi finiti con ABAQUS. Nella simulazione, viene calcolata la distribuzione del campo in entrambe le direzioni nel piano e nello spessore e viene analizzata la legge di distribuzione del campo del gradiente. Sebbene ottenuto in esperimenti non distruttivi, il valore critico del danno ha una certa connessione con i risultati sperimentali distruttivi. La simulazione mostra che la distribuzione del campo elettrico è influenzata dalla sequenza di stack e dalla modalità di fissaggio. Quando ci sono più angoli dello strato e la corrente scorre principalmente nel piano, la distribuzione del campo elettrico è relativamente uniforme. La regione ad alta temperatura è molto piccola rispetto alla regione di alta intensità di campo e sostanzialmente rimane solo nel primo strato del campione. L'ampiezza della corrente a cui il campione mostra un aumento misurabile della temperatura è di circa 750 A e l'ampiezza della corrente con un aumento significativo della temperatura è di circa 4 kA. La funzione di adattamento della resistenza effettiva CFRP con l'ampiezza e la temperatura correnti come variabili fornisce una base dati per la creazione del modello di rete di conduzione e il calcolo della distribuzione della densità di corrente. I risultati della simulazione dell'accoppiamento termoelettrico utilizzando una resistenza efficace possono essere utilizzati per prevedere la soglia iniziale di danno, quindi collegare risultati sperimentali non distruttivi e distruttivi e contribuire allo sviluppo di tecniche di prova e non distruttive di protezione contro il fulmine.