本研究通过进行直接电传导测试，研究了碳纤维增强塑料（CFRP；Carbon fiber-reinforced plastic）层压板在模拟雷电电流下的边缘发光机制。根据SAE ARP 5412B标准，对层压板施加了脉冲电流。基于有限元分析（FEA）进行了数值模拟，以阐明CFRP层压板的电压和温度分布。使用实验获得的I-V特性和温度响应验证了分析结果。结果显示，边缘发光现象在准各向同性层压板中出现，但在单向和交叉层压板中则没有出现。在硅油中的边缘发光现象比在空气中受到更强的抑制。当没有发生边缘发光时，数值模拟结果、I-V特性和温度响应与实验获得的结果显示出良好的一致性。与焦耳热相反，每层之间数百伏的电位差是测试环境中边缘发光形成的判据。

碳纤维增强塑料（CFRP）因其轻质高强、耐腐蚀等优点，在航空航天领域得到广泛应用。然而，CFRP材料在雷电冲击下容易发生损伤，甚至引发火灾，对飞行安全构成严重威胁。边缘发光现象是CFRP材料在雷电冲击下的一种常见现象，其产生机制尚不明确。目前，关于CFRP材料在雷电冲击下的研究主要集中在材料损伤和火灾风险评估方面，而对边缘发光现象的研究相对较少。边缘发光现象的产生机制尚不明确，其对材料性能的影响也缺乏深入研究。

近日，国际知名期刊《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》发表了一篇由日本东京工业大学的研究团队完成的有关碳纤维增强塑料在雷电冲击下的边缘发光现象的研究成果。该研究探究了CFRP材料在雷电冲击下的边缘发光现象，并分析其产生机制。通过实验和数值模拟相结合的方法，揭示了边缘发光现象对CFRP材料性能的影响，为CFRP在航空航天领域的安全应用提供了理论指导。论文标题为“Carbon fiber reinforced plastics under lightning impulse current: Experimental and numerical investigation of edge glow”。

1.实验研究

研究制备了单向CFRP板样品，并将其固定在铜电极之间。使用冲击电流发生器对样品施加模拟雷电冲击电流，并使用高速相机和红外相机分别记录边缘发光现象和温度分布。为了探究环境因素的影响，实验分别在空气和硅油浴中进行。通过对比分析不同环境下的实验结果，该研究团队揭示了环境因素对边缘发光现象的影响规律。

图1 实验装置和夹具。

2.数值程序

为了模拟CFRP材料在雷电冲击下的电场、电流密度、温度场和热解程度等参数，该研究建立了包含电场、电流密度、温度场和热解模型等方程。其中，电场和电流密度通过欧姆定律和电场强度公式进行描述；温度场通过瞬态传热方程进行描述；热解程度通过Arrhenius公式进行描述，并考虑了热解反应的吸热过程。还引入了热解模型方程来评估由热生成引起的树脂热解行为，包括热解度和热解反应的内能变化。这些方程为有限元分析（FEA）提供了理论基础，用于预测CFRP层压板在闪电电流作用下的温度响应和边缘辉光机制。

图2 数值分析模型和边界条件。

该研究使用COMSOL Multiphysics软件建立了数值分析模型，并对模型进行了详细的参数设置。模型中，CFRP样品和铜电极被划分为多个网格单元，并考虑了各向异性材料的特性。在电气边界条件方面，一个铜板电极的侧面表面被施加了表面电流，而另一个铜板电极的侧面表面电势被定义为零。通过设置合适的边界条件和材料参数，该研究能够模拟CFRP材料在雷电冲击下的电场、电流密度、温度场和热解程度等参数，并与实验结果进行对比验证。数值分析使用了COMSOL Multiphysics 6.1软件进行，其中包括了电流密度的计算、瞬态热传递分析以及热解度的计算，这些计算考虑了适当的热边界条件，如热辐射，其中表面发射率为0.9，初始温度设定为22°C。此外，还定义了材料属性，如CFRP的各向异性热导率和电导率，以及铜的属性。

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CFRP样品和铜板电极分别采用三角形棱柱和四面体元素进行网格划分。为避免在脉冲电流应用期间因时间步长导致的温度梯度计算错误，每个CFRP层在厚度方向被细分为10部分，整个模型的元素总数达到了350,110。此外，为了确保数值分析的准确性，设置了最大计算步长为1微秒，并根据实验测量的电流波形和电压波形调整了模型的输入，以匹配实验结果。

图3 高速摄像头捕捉到边缘光晕，红色箭头表示边缘光晕的位置。

CFRP材料的导电性、导热性、比热容和密度等参数在不同方向上表现出各向异性，而铜电极则具有各向同性的特性。这些材料属性参数被用于数值分析模型中，以准确模拟CFRP材料在雷电冲击下的热力学行为。

图4 UDO的温度响应。

图5 CP的温度响应。

图6 通过有限元分析获得的温度分布与边缘轮廓位置的比较。

3. 结果与讨论

该研究通过实验和数值模拟，对CFRP材料在雷电冲击下的边缘发光现象进行了深入分析。实验结果表明，在雷电冲击下，CFRP材料边缘会发生明显的边缘发光现象，并伴随着温度升高和热解反应。数值模拟结果与实验结果吻合良好，表明所建立的数值分析模型能够准确模拟CFRP材料在雷电冲击下的电热耦合行为。此外，该研究还分析了边缘发光现象的机理，并探讨了影响边缘发光现象的因素。

图7 施加4us照明电流后各规格的电压和电场分布。

该研究揭示了CFRP在雷电冲击下的边缘发光现象及其产生机制。通过实验和数值模拟结果，发现边缘发光现象会导致CFRP材料局部温度升高，并可能引发材料损伤和火灾。该研究结果为CFRP在航空航天领域的安全应用提供了理论指导，并为开发新型雷电防护材料提供了参考。