Response of Composite Panels with Conductive Coatings Submitted to Emulated Lightning Strikes

De nouvelles méthodes de conception et de fabrication pour obtenir des matériaux conducteurs électriquement sont régulièrement développées. L'évaluation de la performance d'un matériau conducteur pour la protection contre la foudre (LCF) repose habituellement sur des essais et des analyses approfondis nécessitant l'accès à une infrastructure imposante. Cela peut entraîner des retards considérables dans le programme de recherche et / ou des dépenses déraisonnablement élevées. Cependant, lors de recherche exploratoire portant sur le développement de matériaux conducteurs pour LCF, il n'est financièrement pas viable ou techniquement productif de passer à travers la gamme complète de tests de foudre standardisés qui produisent des résultats binaires «go no-go». Le temps nécessaire pour de telles études approfondies est également difficile à justifier. Une étape de pré-qualification est donc souhaitable car elle peut servir de mécanisme de rétroaction pour améliorer la préparation/conception de matériaux avancés avant qu'ils ne soient soumis à des tests à grande échelle plus dispendieux et longs. Il est donc nécessaire de développer des équipements abordables et de nouveaux protocoles de test / analyse qui permettent une évaluation préliminaire mais holistique de nouveaux matériaux pour LCF. Cette nécessité est la principale motivation de cette thèse de doctorat. Le premier objectif de cette thèse porte sur la conception de montages expérimentaux à faible coût en divisant le test de foudre standard en deux parties distinctes. Un nouveau circuit d'émulateur d'impulsions capable de produire une amplitude de crête de 40 kA a été conçu et fabriqué, tandis que des alimentations commerciales pouvant produire jusqu'à 500 A DC ont été utilisées pour tester les matériaux LSP contre des courants continus. Cet arrangement réduit la complexité et maximise la sécurité des circuits respectifs, menant à une meilleure rentabilité. Les émulateurs ont également été conçus avec une grande flexibilité afin d'accommoder des échantillons avec une large gamme de conductivités et pour reproduire diverses formes d'ondes. Les signaux d'onde émulés ici sont conformes aux normes SAE. Le deuxième objectif porte sur la caractérisation et l'analyse des matériaux conducteurs. Différents matériaux conducteurs, chacun avec leurs propres méthodes de fabrication, ont été étudiés comme revêtements pour LCF de l'avion.

Abstract

New design and manufacturing schemes to produce electrically conductive materials are regularly devised. The evolution of an electrically conductive material into a solution for lightning strike protection (LSP) relies on extensive testing and analysis requiring access to heavy infrastructure. This can lead to substantial delays in the research program and/or unreasonably high expenses. However, when exploring such conducting materials for LSP, neither is it financially viable nor technically productive to put them through the full battery of sophisticated lightning tests utilizing standard protocols that yield binary “go - no go” results. The time spent on such extensive studies is also difficult to justify. A pre-qualification program is thus desired. Such a program, if designed appropriately, can also serve as a feedback mechanism to improve on the materials' technology readiness before they are subjected to full-scale tests. There is a need to develop low-cost equipment and associated test/analysis protocols that allow for a preliminary but holistic evaluation of new materials for LSP, which serves as the motivation for this PhD thesis. The first objective of this thesis relating to the establishment of low-cost test equipment was achieved by dividing the standard lightning test into two separate parts of reduced severity. A new impulse emulator circuit capable of producing a 40 kA peak amplitude was designed and transformed into a physical structure, while commercial power supplies that could produce up to 500 A DC were used to test the LSP materials against continuous currents. This arrangement lowers complexity and safety demands on the respective circuits, hence leading to costeffectiveness. The emulators were also designed with a flexibility to both accommodate samples with a wide range of conductivities, and reproduce current waveforms with chosen test parameters, leading to wider application. The emulated lightning waveforms were shown to conform to SAE standards. The second objective concerns testing and analysis of conductive materials. Different conducting materials, each with their own manufacturing methods, were investigated as coatings for aircraft LSP. These included different metals (silver, tin and copper-tin) and hybrid materials (silvercarbon and silver-conducting polymer).