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物理学 > 应用物理

arXiv:2511.01145 (physics)
[提交于 2025年11月3日 ]

标题: 一种$χ$型智能纺织复合材料:用于防雷击的可折叠混杂编织复合材料

标题: Ar$χ$i-Textile Composites: Drapable Hybrid Woven Composites for Lightning Strike Protection

Authors:Hridyesh Tewani, Vincent Scheerer, Madison Owens, Emilio Cumbajin, Camila De Leon, MD Rashid Hussain, Pruthul Kokkada Ravindranath, Rachel Van Lear, David Jack, David Wallace, Pavana Prabhakar
摘要: 碳纤维增强聚合物(CFRPs)由于其优异的比机械性能和耐腐蚀性,在航空航天和风能工业中被广泛使用。 然而,它们较高的电阻率使其容易受到闪电击中的损坏,这需要添加表面闪电保护(LSP)层。 传统的LSP系统,如铜网或展开箔片,可以减少闪电击中的损坏,但不容易围绕复杂几何形状进行铺覆,并可能在复合材料内部引入易分层的区域。 在此,我们提出了一种新颖的制造策略,通过在编织碳纤维复合材料中编织不锈钢纱线,制造出可铺覆的结构混合复合材料作为LSP。 我们改变了金属纱线与碳纱线的比例以及堆叠配置,以评估准静态电弧暴露和模拟闪电击中的损伤演化。 我们的结果阐明了在复合材料中加入混合层显著降低了电弧冲击下的表面温度、穿透厚度的损伤和质量损失。 具有所提出的LSP层的复合材料在弯曲模量和强度的保留方面也优于参考的CFRP。 先进的空中移动(AAM)车辆在较低高度运行,由于其对闪电击中的高敏感性,面临重大的安全挑战。 因此,所提出的混合复合材料可以作为高效且可铺覆的LSP,用于AAM车辆中的复杂形状,提供增强的安全性和保护。
摘要: Carbon fiber-reinforced polymers (CFRPs) have been extensively used in the aerospace and wind energy industries due to their superior specific mechanical properties and corrosion resistance. However, their higher electrical resistivity makes them susceptible to lightning strike damage, which necessitates the addition of a surface lightning strike protection (LSP) layer. Traditional LSP systems, such as copper mesh or expanded foil, reduce lightning strike damage, but are not easily drapable around complex geometries and may introduce delamination-prone regions within the composite. Here, we propose a novel manufacturing strategy for architected hybrid composites as drapable LSP by weaving stainless steel yarns within the woven carbon fiber composites. We varied the metal-to-carbon yarn ratio and stacking configuration to assess damage evolution under quasi-static arc exposures and simulated lightning strikes. Our results elucidate that incorporating hybrid layers into composites significantly reduced surface temperatures, through-thickness damage, and mass loss under both electric arc impacts. The composites with the proposed LSP layers also exhibited higher retention of flexural modulus and strength compared to the reference CFRP. Advanced air mobility (AAM) vehicles, which operate at lower altitudes, face significant safety challenges due to their high susceptibility to lightning strikes. Therefore, the proposed hybridized composites can be used as an efficient and drapable LSP around complex shapes in AAM vehicles, offering enhanced safety and protection.
主题: 应用物理 (physics.app-ph)
引用方式: arXiv:2511.01145 [physics.app-ph]
  (或者 arXiv:2511.01145v1 [physics.app-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2511.01145
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)

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来自: Pavana Prabhakar [查看电子邮件]
[v1] 星期一, 2025 年 11 月 3 日 01:53:15 UTC (36,180 KB)
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