Flammability of electrically conductive composite dedicated for lightning strike protection

• Autorzy: Katunin A. , Bilewicz M.

Warianty tytułu

PL

Palność kompozytu przewodzącego prąd elektryczny dedykowanego do ochrony odgromowej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Lightning strike protection is one of the crucial structural demands for aircraft composites addressed to their integrity and durability after a strike. When the lightning strikes a classic composite structure, the generated heat from electrical resistance as well as mechanical impulse resulting from acoustic wave propagation, might cause serious damage. Currently used metallic meshes and foils immersed in composite structures are effective in dissipating lightning charges and generated heat, however, such a solution has numerous disadvantages like increasing mass, problems with adhesion on the metal/polymer interface, complicated manufacturing technology, etc. Therefore, a fully organic conductive composite was developed as an alternative to current solutions. After a lightning strike the developed composite should not only effectively conduct and dissipate the electrical charge and generated heat, but also stop burning, which appears due to very high temperature values in the vicinity of the strike area. In this study, flammability tests were performed for a classic carbon fabric-reinforced composite as well as for the developed conductive polymer and carbon fabric-reinforced composite based on this polymer for comparative purposes, with measurement of the combustion temperature. The obtained results show that the developed composite is characterized by sufficiently low flammability, however, further studies will be focused on further improvement of flame retardancy.

PL

Ochrona odgromowa jest jednym z ważniejszych wymagań strukturalnych stawianych kompozytom lotniczym, odnoszących się do ich integralności oraz trwałości po uderzeniu pioruna. Gdy piorun uderza w klasyczne struktury kompozytowe, ciepło generowane z oporu elektrycznego oraz impuls mechaniczny, wynikający z propagacji fali akustycznej, może spowodować poważne uszkodzenia. Obecnie stosowane metalowe siatki i folie zatopione w strukturach kompozytowych są efektywne w rozpraszaniu ładunków piorunowych i generowanego ciepła, jednak takie rozwiązanie posiada szereg wad, jak wzrost masy, problemy z adhezją na granicy ośrodków metal/polimer, skomplikowana technologia wytwarzania itd. Dlatego został opracowany w pełni organiczny kompozyt przewodzący jako alternatywa dla obecnych rozwiązań. Po uderzeniu pioruna opracowany kompozyt powinien nie tylko efektywnie przewodzić i rozpraszać ładunek elektryczny i generowane ciepło, ale także zatrzymać płonięcie, powstające w wyniku bardzo dużych wartości temperatury w otoczeniu miejsca uderzenia. W niniejszej pracy w celach porównawczych badania palności przeprowadzono dla klasycznego kompozytu wzmacnianego tkaniną węglową oraz opracowanego polimeru i kompozytu wzmacnianego tkaniną węglową na jego bazie z pomiarem temperatury spalania. Otrzymane wyniki wykazały, że opracowany kompozyt charakteryzuje się stosunkowo niską palnością, jednak przyszłe badania będą skupione na dalszej poprawie ognioodporności.

Słowa kluczowe

EN

flammability; lightning strike protection; flame retardancy; carbon fabric

PL

palność; ochrona odgromowa; ognioodporność; tkanina węglowa

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2017
• Tom: R. 17, nr 3
• Strony: 131--135
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Katunin A.

• Silesian University of Technology, Institute of Fundamentals of Machinery Design , ul. S. Konarskiego 18A, 44-100 Gliwice, Poland

autor

Bilewicz M.

• Silesian University of Technology, Institute of Engineering Materials and Biomaterials, ul. S. Konarskiego 18A, 44-100 Gliwice, Poland

Bibliografia

• [1] Kawakami H., Feraboli P., Lightning strike damage resistance and tolerance of scarf-repaired mesh-protected carbon fiber composites, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 2011, 42, 1247-1262.
• [2] Gagné M., Therriault D., Lightning strike protection of composites, Progress in Aerospace Sciences 2014, 64, 1-16.
• [3] Gou J., Tang Y., Liang F., Zhao Z., Firsich D., Fielding J., Carbon nanofiber paper for lightning strike protection of composite materials, Composites Part B: Engineering 2010, 41, 192-198.
• [4] Chakravarthi D.K., Khabashesku V.N., Vaidyanathan R., Blaine J., Yarlagadda S., Roseman D., Zeng Q., Barrera E.V., Carbon fiber-bismaleimide composites filled with nickel-coated single-walled carbon nanotubes for lightning-strike protection, Advanced Functional Materials 2011, 21, 2527-2533.
• [5] Park J.G., Louis J., Cheng Q., Bao J., Smithyman J., Liang R., Wang B., Zhang C., Brooks J.S., Kramer L., Fanchasis P., Dorough D., Electromagnetic interference shielding properties of carbon nanotube buckypaper composites, Nanotechnology 2009, 20, 415702.
• [6] Chen I-W.P., Liang R., Zhao H., Wang B., Zhang C., Highly conductive carbon nanotube buckypapers with improved doping stability via conjugational cross-linking, Nanotechnology 2011, 22, 485708.
• [7] Han J., Zhang H., Chen M., Wang D., Liu Q., Wu Q., Zhang Z., The combination of carbon nanotube buckypaper and insulating adhesive for lightning strike protection of the carbon fiber/epoxy laminates, Carbon 2015, 94, 101-113.
• [8] Kostopoulos V., Masouras A., Baltopoulos A., Vavouliotis A., Sotiriadis G., Pambaguian L., A critical review of nanotechnologies for composite aerospace structures, CEAS Space Journal 2017, 9, 35-57.
• [9] El Sawi I., Olivier P.A., Demont P., Bougherara H., Processing and electrical characterization of a unidirectional CFRP composite filled with double walled carbon nanotubes, Composites Science and Technology 2012, 73, 19-26.
• [10] Fu X., Zhang C., Liu T., Liang R., Wang B., Carbon nanotube buckypaper to improve fire retardancy of high-temperature/high-performance polymer composites, Nanotechnology 2010, 21, 235701.
• [11] Katunin A., Krukiewicz K., Turczyn R., Sul P., Łasica A., Bilewicz M., Synthesis and characterization of the electrically conductive polymeric composite for lightning strike protection of aircraft structures, Composite Structures 2017, 159, 773-783.
• [12] Katunin A., Krukiewicz K., Turczyn R., Sul P., Bilewicz M., Electrically conductive carbon fibre-reinforced composite for aircraft lightning strike protection, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 2017, 201, 012008.
• [13] Katunin A., Krukiewicz K., Preliminary analysis of thermal response of dielectric and conducting composite structures during lightning strike, Composites Theory and Practice 2016, 16, 8-14.
• [14] Flammability properties of aircraft carbon-fiber structural composite, Final Report DOT/FAA/AR-07/57, U.S. Department of Transportation, Federal Aviation Administration, Springfield, VA 2007, 43 pages.
• [15] Zhang Z., Zhang Y., Ou X., Study on key certification issues of composite airframe structures for commercial transport airplane, Procedia Engineering 2011, 17, 247-257.
• [16] Kashiwagi T., Du F., Winey K.I., Groth K.M., Shields J.R., Bellayer S.P., Kim H., Douglas J.F., Flammability properties of polymer nanocomposites with single-walled carbon nanotubes: effects of nanotube dispersion and concentration, Polymer 2005, 46, 471-481.
• [17] Patel P., Stec A.A., Hull T.R., Naffakh M., Diez-Pascual A.M., Ellis G., Safronava N., Lyon R.E., Flammability properties of PEEK and carbon nanotube composites, Polymer Degradation and Stability 2012, 97, 2492-2502.
• [18] Oliwa R., Heneczkowski M., Oleksy M., Galina H., Epoxy composites of reduced flammability, Composites Part B: Engineering 2016, 95, 1-8.
• [19] Lecouvet B., Sclavons M., Bourbigot S., Bailly C., Thermal and flammability properties of polyethersulfone/halloysite nanocomposites prepared by melt compounding, Polymer Degradation and Stability 2013, 98, 1993-2004.
• [20] Matykiewicz D., Przybyszewski B., Stanik R., Czulak A., Modification of glass reinforced epoxy composites by ammonium polyphosphate (APP) and melamine polyphosphate (PNA) during the resin powder molding process, Composites Part B: Engineering 2017, 108, 224-231.
• [21] Zhao X., Yang L., Martin H.F., Zhang X.-Q., Wang R., Wang D.-Y., Influence of phenylphosphonate based flame retardant on epoxy/glass fiber reinforced composites (GRE): Flammability, mechanical and thermal stability properties, Composites Part B: Engineering 2017, 110, 511-519.
• [22] Gu H., Guo J., He Q., Tadakamalla S., Zhang X., Yan X., Huang Y., Colorado H.A., Wei S., Guo Z., Flame-retardant epoxy resin nanocomposite reinforced with polyaniline-stabilized silica nanoparticles, Industrial & Engineering Chemistry Research 2013, 52, 7718-7728.
• [23] Zhang X., He Q., Gu H., Colorado H. A., Wei S., Guo Z., Flame-retardant electrical conductive nanopolymers based on Bisphenol F epoxy resin reinforced with nano polyanilines, ACS Applied Materials & Interfaces 2013, 5, 898-910.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).