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Nickel Coated Carbon Fibre Nonwoven as Light, Efficient and Scalable Lightning Strike Protection for Carbon Fibre Reinforced Polymers

Etienne Gourcerol

Master's thesis (2022)

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Abstract

The aviation industry is committed to reduce its CO2 emissions to a net zero level by 2050. The increasing use of composite materials as a replacement for aluminium in structural parts will help increase the fuel efficiency of aircraft. Indeed, carbon fibre reinforced polymers (CFRP) have better specific mechanical properties than aluminium. However, their lower electrical conductivity makes them more subject to lightning strike damage. Indeed, a commercial airplane is struck in average one time per year by lightning. To compensate this weakness, a metallic mesh is added on top of the composites to protect the structure from lightning strike. The addition of metal mesh is efficient but heavy. The aim of this project is to investigate the lightning strike protection (LSP) efficiency of a light and scalable layer that protects painted composite panels from structural damage, using dry commercially fabricated nickel coated carbon fibre (NCCF)-based materials. Two strategies are considered. For the first one, a woven NCCF fabric is integrated by wet lay-up as the first ply of an 8-ply laminate, adding ~150 g/m². For the second one, four types of nonwoven NCCF veils are stacked on top of an 8-ply laminate, adding respectively 18, 19, 43 and 70 g/m². The higher the areal density is, the lower the sheet resistivity and the thicker the nickel coating on the fibres. Painted and nonpainted protected panels are tested with an in-house 40 kA lightning strike emulator and observed during the test with a high-speed thermal camera. The damage characterisation is made using four methods: an ultrasonic inspection for the surface and internal damage, a cross-section observation and an X-ray microtomography scan for the internal damage, and a 4-point bending test to assess the mechanical properties retention after the test. The results of the NCCF-based LSP are compared with two reference panels: 8-ply laminates protected by a 360 g/m² expanded copper foil (ECF) and non-protected 8-ply laminates. Without paint, the panels protected by the nonwoven veil with the lowest sheet resistivity show no internal damage and a mechanical flexural strength retention of 97%, higher than the ECF-protected panels. The nonwoven is scarcely evaporated on the panel surface, confirming the absence of high temperature areas observed with the thermal camera and indicating the good dispersion of the lightning strike energy. The woven cloth maintains 63% of its flexural strength, which is in the same range as the non-protected laminate. The painted panels protected by the nonwoven veils are more severely damaged than the ones protected by the ECF, retaining at best 69% of their flexural strength. The lightning current was conducted deeper in the laminate and the pyrolysis gas, released from the heating of the resin in the depth of the laminate, generated overpressures that led to delamination and fibre breakage in the first plies. However, paint had no effect on the mechanical properties of the ECFprotected panels: they retained the same flexural strength as their nonpainted counterparts with 83%. Nonwoven NCCF are a promising alternative to the ECF. The 70 g/m² veil is 80% lighter, 30% cheaper and as efficient without paint. The scalability of this solution is straightforward as it is already commercialised and could be pre-impregnated with resin. However, further investigations are required to overcome the detrimental effect of paint on the lightning strike protection efficiency and make this solution applicable.

Résumé

Le secteur aéronautique s'est engagé à réduire ses émissions de CO2, dans le but d'atteindre la neutralité carbone d'ici 2050. L'utilisation croissante de matériaux composites pour remplacer l'aluminium dans les pièces structurelles contribuera à accroître le rendement énergétique des avions. En effet, les polymères renforcés de fibres de carbone ont de meilleures propriétés mécaniques spécifiques que l'aluminium. Cependant, leur conductivité électrique est plus faible, ce qui les rend plus vulnérables aux dommages causés par la foudre. En effet, un avion commercial est frappé en moyenne une fois par an par la foudre. Pour compenser cette faiblesse, un grillage métallique est ajouté sur les composites pour protéger la structure contre la foudre. Ce grillage est efficace mais lourd. L'objectif de ce projet est d'étudier l'efficacité de protection contre la foudre d'une couche légère et capable d'être facilement mise à l'échelle protégeant des panneaux composites peints contre les dommages structurels, en utilisant des matériaux fabriqués commercialement à base de fibres de carbone recouvertes de nickel (FCRN). Deux stratégies sont envisagées. Pour la première, un tissé de FCRN sec est intégré à l'aide d'une couche de résine époxy comme premier pli d'un stratifié à 8 plis, ajoutant ~150 g/m². Pour la seconde, quatre types de voiles non-tissés de FCRN sont ajoutés au-dessus d'un stratifié à 8 plis, ajoutant respectivement 18, 19, 43 et 70 g/m². Plus la densité surfacique est élevée, plus la résistivité de surface du voile est faible et plus le revêtement de nickel sur les fibres est épais. Les panneaux protégés peints et non peints sont testés avec un émulateur de foudre de 40 kA, développé à Polytechnique Montréal. La surface des panneaux est observée avec une caméra thermique à haute vitesse durant le test. La caractérisation des dommages est effectuée à l'aide de quatre méthodes : une inspection par ultrasons pour les dommages en surface et interne, une observation en coupe ainsi qu'une microtomographie à rayons X pour les dommages internes et un test de flexion à 4 points pour évaluer la conservation des propriétés mécaniques après le test. Les résultats des panneaux protégés par des matériaux à base de FCRN sont comparés à deux types de panneaux de référence : des stratifiés à 8 plis protégés par un maillage de cuivre de 360 g/m² et des stratifiés à 8 plis non-protégés. Sans peinture, les panneaux protégés par le voile non-tissé avec la plus faible résistivité de surface ne présentent aucun dommage interne et une conservation de la résistance mécanique à la flexion de 97%, plus élevée que celle des panneaux protégés par le maillage de cuivre. Le non-tissé est à peine évaporé à la surface du panneau, ce qui confirme l'absence de zones de haute température observée avec la caméra thermique et indique la bonne dispersion de l'énergie de l'éclair. Le tissé de FCRN conserve 63% de sa résistance à la flexion, ce qui est dans la même plage que le stratifié non-protégé. Les panneaux peints protégés par les nontissés sont plus sévèrement endommagés que ceux protégés par l'ECF, conservant au mieux 69% de leur résistance à la flexion. A cause de la peinture, le courant de foudre a été conduit plus profondément dans le stratifié. En raison de l'effet Joule, la résine a pyrolysé à l'intérieur du stratifié. L'accumulation de gaz a généré des surpressions qui ont conduit à des délaminations et à la rupture des fibres de carbone dans les premiers plis. La peinture n'a pas eu d'effet sur les propriétés mécaniques des panneaux protégés par le maillage de cuivre : ils ont conservé la même résistance à la flexion que leurs homologues non peints avec 83 %. Les non-tissés de FCRN constituent une alternative prometteuse aux grillage métallique. Le voile de 70 g/m² est 80 % plus léger, 30 % moins cher et aussi efficace sans peinture. La mise à l'échelle de cette solution est simple car celle-ci est déjà commercialisée et pourrait être préimprégnée de résine. Cependant, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour réduire l'effet néfaste de la peinture sur l'efficacité de protection contre la foudre et rendre cette solution utilisable par l'industrie aéronautique.

Department: Department of Mechanical Engineering
Program: Génie aérospatial
Academic/Research Directors: Daniel Therriault and Frédéric Sirois
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10363/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 01 Feb 2023 14:23
Last Modified: 07 Apr 2024 04:55
Cite in APA 7: Gourcerol, E. (2022). Nickel Coated Carbon Fibre Nonwoven as Light, Efficient and Scalable Lightning Strike Protection for Carbon Fibre Reinforced Polymers [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10363/

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