碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP, Carbon Fiber Reinforced Polymer)是一种新型复合材料,具有高强度,低密度,耐腐蚀等特点,在航空航天部门应用越来越多。尤其在商务飞机中,由于碳纤维树脂基复合材料优异的性能使用量越来越高。飞机只能防雷不能避雷,有关资料统计,商用飞机每年都有一次遭受雷击的可能,尤其飞机在多雨的地区高空飞行,遭受雷击的概率更大。CFRP导电性能不如金属材料,遭遇雷击可能对飞机安全造成更大威胁,商务飞机上大量应用CFRP材料的安全性一直是航空航天部门比较关注的问题。我国要实现“大飞机”计划,大规模使用CFRP材料是一项关键技术,研究碳纤维复合材料的雷击损伤问题为保证其在航空航天中的应用安全具有重要的意义。本文通过有限元数值计算和人工模拟雷击实验研究了碳纤维复合材料雷击损伤的过程,通过数值计算和实验相结合,研究CFRP雷击损伤的温度场,热解度,损伤因素和损伤机理。本文基于电热耦合场有限元分析理论,通过商业有限元软件ANSYS建立有限元模型,计算CFRP层合板雷击后的温度场分布以及变化规律。先计算雷击过程的温度场,然后通过继承温度场,计算雷击过后散热的温度场。通过温度场的继承解决了跨时间尺度难收敛的问题。其次建立了CFRP热解动力学模型,通过APDL编写子程序,把有限元温度场的计算结果和热分解动力学方程关联起来,实现了ANSYS对材料热解度的计算。然后找到了计算复合材料雷击损伤的方法,用等温线和热解度分别来计算雷击损伤的面积和深度,和实验吻合较好。并通过雷击损伤的面积和深度来研究影响CFRP雷击损伤的各种因素及其之间的关系。主要结论如下：(1)CFRP材料遭受雷击后,表层损伤最为严重,呈现45°的狭长条带损伤区,CFRP每个铺层的温度场除了取决于本铺层自身产生的焦耳热外,也受到临近铺层热量传导的影响,温度场形貌体现了本铺层和临近铺层碳纤维的铺层角的特征；(2)CFRP雷击电流结束后的散热阶段,温度场高温区域并无明显增加,温度场等温线形状逐渐变成椭圆形,最后变成圆形,直至退缩消失；(3)CFRP雷击点温度先快速上升,然后略微降低,但是雷击过程的30μs会维持在3000℃以上,30s后几乎降低到室温；(4)CFRP层合板最高温度在雷击点深度路径上,雷击过程中CFRP材料由外到内升温,高温区向深度方向扩展,雷击结束后的散热阶段材料内部温度会暂时高于外部,30s后整个材料温度几乎降低到室温状态;(5)CFRP材料体系的热解度与材料温度、升温速率和热解时间有关,温度越高、热解时间越长热解度越大,提高升温速率对热解有滞后性；(6)CFRP雷击损伤与多方面因素有关,从雷电电学参数上看,主要有电流峰值、波形、电荷量、作用积分等,从材料学上看,主要是CFRP的电导率、厚度、纤维体积分数、尺寸等。其中作用积分和电导率是影响CFRP损伤程度的最主要外因和内因。为了降低碳纤维复合材料雷击损伤面积和深度,提高复合材料的电导率是最重要的方式。本文通过人工模拟雷击实验对CFRP雷击过程进行研究,首先制作了CFRP结构件,按照国标测量了碳纤维体积分数,设计了人工雷击测试试验台,利用冲击电流发生器模拟雷电电流,实现了对CFRP的人工雷击测试,通过超声C扫描和超声B扫描对雷击损伤进行了检测,利用扫描电子显微镜对雷击损伤微观形貌进行分析。结论如下：(1)碳纤维遭受模拟雷电后,会发生巨大声响,纤维断裂膨起,树脂分解,产生气体,层合板会分层,雷击点处会出现损伤坑；(2)人工模拟雷电的电流峰值对雷击损伤形貌和面积有很大影响,电流峰值越大,超声C扫描损伤面积越大,B扫描的损伤深度越大；(3)雷击损伤微观形貌下,具有以下特征：碳纤维断裂、弯曲、变粗、烧蚀,表层树脂脱落,树脂分解和碳化,有时可见碳纤维表面有残炭附着；(4)CFRP雷击损伤主要有损伤坑和分层两种形式,雷击后产生损伤坑的主要原因是树脂热解,气体溢出,纤维烧蚀,断裂膨起。分层损伤原因主要有树脂热解层间结合力丧失,气体膨胀铺层张开,热应力引起分层。