西安交大姚学玲教授科研团队在碳纤维复合材料雷击直接效应研究领域取得重要进展

碳纤维增强型聚合物（CFRP）复合材料因其具有低密度、高比模量、高比强度等优异的力学性能，被广泛应用于飞机的结构制造中。雷击事件严重威胁飞机的飞行安全，已然成为大飞机轻量化进程的关键难题之一。雷击是一个包含强电、热、力场效应的强耦合复杂过程，雷击引起的力学冲击是引起CFRP复合材料结构损伤的关键因素，高电压、大电流、强电磁、极高温的复杂雷电环境给雷电冲击压力测量、雷电冲击载荷和雷击损伤特性的研究带来了极大挑战。

针对上述问题，西安交通大学电气工程学院、电工材料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姚学玲教授团队近日陆续发表多篇科研成果，提出了基于多维度冲击力的测量方法及多维冲击力作用时序的分析和解耦方法，填补了CFRP复合材料雷击力学冲击理论的不足、完善了CFRP复合材料雷击损伤理论体系。基于一维应力波传递理论，提出了一种由氧化锆陶瓷传递杆-聚偏二氟乙烯传感器-支撑组件组成的冲击力测量机构，实现了雷电冲击压力的定量校准；设计了冲击力测量单元的电磁屏蔽方法，研制了多通道可调节的分布式雷电冲击载荷测量装置。开展了间隙注入下雷电冲击载荷作用特性的研究，分析了雷电电磁力（EMF）、表面爆炸产生的冲击波（SESW）和电弧通道膨胀产生的声冲击波（AESW）在时空尺度上的时序叠加关系，多维雷击冲击力的时序分析表明作用时序依次为EMF、SESW和AESW。开展了雷电流A分量注入CFRP复合材料人工模拟雷击试验，深入综合研究了雷电流幅度对复合材料板电弧-热-损伤-力学等雷击特征演化的影响规律，评估了雷电冲击载荷的损伤贡献，提出了两边接地条件下复合材料雷击的二次爆炸理论，阐明了CFRP复合材料雷击损伤的产生及演化过程。该系列研究填补了雷击热-电-力学耦合过程中关键力学数据的空白，揭示了雷击电、热、冲击顺序协同作用下CFRP复合材料内部分层损伤机制，为复合材料防雷结构设计提供了充足的理论指导，对复合材料装备整体雷击防护具有深厚的应用价值。

近期，上述研究成果分别以《脉冲雷电流注入下CFRP复合材料电-热-冲击协同损伤机制实验研究》（Experimental investigation of electro-thermal-impact synergistic damage mechanism of CFRP composites injected by impulse lightning current）、《航空材料的雷电冲击动态特性及作用机制》（Dynamic characteristics and mechanisms of lightning impact on aerospace materials）和《脉冲电流引起碳纤维增强复合材料电-弧-热-力多物理场耦合效应实验研究》（Experimental study of impulse-current-induced electrical, arc, thermal, and mechanical multiphysics coupling on carbon fiber-reinforced polymer composites）为题陆续在复合材料领域顶级期刊《复合材料B部分：工程》（Composites part B：Engineering，一区Top，影响因子：14.2）、力学领域顶级期刊《国际机械科学杂志》（International Journal of Mechanical Sciences，一区Top，影响因子：9.4）和力学领域知名期刊《薄壁结构》（Thin-Walled Structures，二区Top，影响因子：6.6）发表。论文第一作者为西安交通大学电气学院博士生李树，通讯作者为西安交通大学电气学院姚学玲教授、孙晋茹副教授，该工作由国家自然基金（No. 52007146）、航空基金（No. 2023Z062070001）、中央高校基本科研业务费自由探索专项基金（No. xzy022023086）支持。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112918

https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2025.110678

https://doi.org/10.1016/j.tws.2025.113972