復(fù)合材料電搭接阻值測試探討

陳雯

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.18.009

摘 要：該文以復(fù)合材料電搭接問題實(shí)例為基礎(chǔ)，分析搭接電阻數(shù)值超差原因，從導(dǎo)電通路、設(shè)計(jì)指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)件選擇、工藝控制等方面提出降低搭接電阻的方法，提出對于開敞性較差區(qū)域的搭接電阻測量方法和后續(xù)提高電搭接阻值穩(wěn)定性的建議。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 電搭接 測試

中圖分類號：V25 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（c）-0009-02

Composite Electrical Bonding Problem Discussion

Chen Wen

（Shanghai Aircraft Design and Research Insitute，Shanghai，201210，China）

Abstract： A problem of electrical bonding in composite is discussed and analyzed， several methods to decrease the bonding resistance is given. Methods of electrical bonding in narrow space are given. Some suggestions on stability of bonding resistance are given.

Key Words： Composite； Electrical Bonding； Testing

隨著玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料在民航飛機(jī)中的廣泛使用，復(fù)合材料的搭接電阻成為一個(gè)越來越重要的問題，正確恰當(dāng)?shù)碾姶罱訉τ诒ＷC民航飛機(jī)的飛行安全正變得越來越重要。對復(fù)合材料進(jìn)行電搭接，需要復(fù)合材料外表面導(dǎo)電，目前常用的方法是在復(fù)合材料表面噴涂金屬鋁層或在復(fù)合材料表面鋪銅網(wǎng)，前者由于涂層質(zhì)量輕且導(dǎo)電性優(yōu)良，應(yīng)用更為廣泛。根據(jù)電搭接的定義，電搭接是需要將電傳導(dǎo)至主結(jié)構(gòu)上，因此搭接路線和搭接測試方法尤為重要。該文將對某噴鋁的復(fù)合材料搭接測試方法做一些探討。

1 電搭接通路

該復(fù)合材料零件由玻璃纖維面板和蜂窩芯組成的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)加上外表面噴涂鋁涂層，當(dāng)其裝配至機(jī)身結(jié)構(gòu)后設(shè)計(jì)的電搭接通路如圖1所示。從圖1中可以看出，設(shè)計(jì)電搭接的搭接通路有兩條。

通路1：從噴鋁層傳至壓窩墊圈NAS1169C10、螺栓NAS1203-11、托板螺母MS21059L3及支架本體。

通路2：從噴鋁層傳至壓窩墊圈NAS1169C10、螺栓NAS1203-11和支架本體。

2 問題描述

在安裝該零件到組件上進(jìn)行電搭接電阻測量時(shí)發(fā)現(xiàn)以下問題。

（1）噴鋁層至支架的電阻值為20～70 mΩ。

（2）此零件電搭接有4處，最終將形成封閉區(qū)域，因此在測量最后一處搭接電阻時(shí)測量表筆無法放置到支架上，沒有測量通路。

通過檢查相關(guān)工程文件要求后發(fā)現(xiàn)如下問題。

（1）該處的搭接電阻值應(yīng)不大于10 mΩ[1]。

（2）工程文件中未規(guī)定開敞性不好區(qū)域的測量方法。

3 原因分析及測量方法改進(jìn)

搭接電阻值超過設(shè)計(jì)要求，原因可能有兩個(gè)，設(shè)計(jì)原因和制造原因。上述第一章節(jié)中已經(jīng)分析其電搭接通路，可見電搭接通路是完整的，從電搭接通路的設(shè)計(jì)上來說沒有問題，那么造成測試搭接電阻偏大的原因是什么？經(jīng)過仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)：雖然電搭接通路是完整的，但忽視了一個(gè)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，即搭接通路上的標(biāo)準(zhǔn)件是否選擇合理？生產(chǎn)過程中的實(shí)現(xiàn)過程是否有漏洞？通過仔細(xì)從設(shè)計(jì)及工藝方面分析，發(fā)現(xiàn)造成該電搭接電阻值過大原因有如下幾種。

（1）壓窩墊圈的材質(zhì)選用。

現(xiàn)有圖紙所選墊圈為NAS1169C10，其材料為耐蝕鋼。查詢該壓窩墊圈規(guī)范，如圖2所示。經(jīng)過查看該壓窩墊圈可選材質(zhì)中包括鋁合金、鋼和鈦合金，從導(dǎo)電性上看，鋁合金>鋼>鈦合金，鋁合金密度僅為鋼的1/3，因此從導(dǎo)電性要求和減輕重量角度來看，應(yīng)該優(yōu)選鋁合金材質(zhì)墊圈。該壓窩墊圈有兩種鋁合金墊圈，D為5052-O墊圈，DD為2024-T42包鋁墊圈，強(qiáng)度前者遠(yuǎn)低于后者，但前者使用的表面處理為化學(xué)轉(zhuǎn)化膜，而后者使用的表面處理則為鉻酸陽極化處理，根據(jù)表面處理經(jīng)驗(yàn)，考慮到噴鋁層表面并不光滑，如果墊圈材質(zhì)較硬，則墊圈與噴鋁層的有效接觸面積較小，導(dǎo)致接觸電阻增大；如果墊圈材質(zhì)較軟，則墊圈與噴鋁層的有效接觸面積可因較軟材料填充間隙而增大，導(dǎo)致接觸電阻減小，因此建議選用NAS1169D10作為墊圈較為合適。

（2）電搭接通路標(biāo)準(zhǔn)件選用。

通路1中目前選用的托板螺母為MS21059-L3，查看MS21059圖紙：表面處理為鍍鎘和干膜潤滑，鍍鎘的主要目的是電化學(xué)防腐蝕，干膜潤滑的主要目的是便于安裝。查詢MS21059對應(yīng)的采購規(guī)范NASM25027，其中規(guī)定：干膜潤滑劑符合AS5272，I型標(biāo)準(zhǔn)。AS5272材料要求明確規(guī)定：符合AS5272規(guī)范的干膜潤滑材料中無石墨、無粉末狀金屬等物質(zhì)（這些物質(zhì)導(dǎo)電性好），故托板螺母不導(dǎo)電，測量結(jié)果已經(jīng)證實(shí)。但該托板螺母與支架連接部位的支架區(qū)域已經(jīng)打磨出金屬基體表面，如果托板螺母不導(dǎo)電，則該電搭接面沒有起到電搭接作用，故該托板螺母必須導(dǎo)電。查詢MS21059發(fā)現(xiàn)，該托板螺母還有一種無干膜潤滑的構(gòu)型，對同尺寸的該牌號托板螺母進(jìn)行測量，結(jié)果表明：該托板螺母導(dǎo)電性良好，其電阻值為0.3 mΩ，兩種托板螺母外觀如圖3所示。因此從增加導(dǎo)電性，降低搭接電阻方面考慮，應(yīng)將該托板螺母從現(xiàn)有的MS21059-L3換成MS21059-3。

通路2中螺栓與支架孔為間隙配合（螺栓NAS1203-11的光桿直徑為4.79～4.81 mm，支架上螺栓孔徑為5.06～5.13 mm），因此該通路導(dǎo)電功能的實(shí)現(xiàn)靠螺栓與孔壁的接觸來實(shí)現(xiàn)，而這種接觸具有隨機(jī)性，且無法保證穩(wěn)定的接觸面積，故接觸電阻值波動較大，因此該通路不應(yīng)當(dāng)作為主要電搭接通路使用，只能作為輔助導(dǎo)電通路。

（3）電搭接工藝。

在使用電搭接相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)件前，應(yīng)對標(biāo)準(zhǔn)件中需要搭接的表面進(jìn)行清洗，以保證標(biāo)準(zhǔn)件的搭接面是潔凈表面，增大有效接觸面積，降低搭接電阻。對于此處的電搭接，應(yīng)該在安裝托板螺母時(shí)，對該托板螺母的搭接表面采用異丙醇或丙酮進(jìn)行清洗。

從上述3方面進(jìn)行改進(jìn)后，可以有效降低電搭接電阻值，但是仍然無法解決封閉區(qū)間無法測量的問題。筆者認(rèn)為可以將該電搭接電阻分為以下3部分進(jìn)行測量。

（1）托板螺母與螺栓的搭接電阻。

（2）托板螺母與支架的搭接電阻。

（3）螺栓與噴鋁層之間的搭接電阻（通過壓窩墊圈傳遞）。

因?yàn)槁菟ㄅc托板螺母之間是通過螺紋連接的，螺紋連接的接觸面積是一定的，所以搭接電阻（1）是一定的，而托板螺母與支架的搭接電阻（2）是可以在安裝前測量，螺栓與噴鋁層之間的搭接電阻（3）可以在安裝螺栓后進(jìn)行測量，最后總的搭接電阻為上述3部分電阻加起來的總值。

4 結(jié)語

復(fù)合材料電搭接對于保證民航飛機(jī)飛行安全十分重要，因此必須從設(shè)計(jì)與工藝兩方面保證電搭接阻值符合規(guī)范要求。對于該文中涉及的“表面噴鋁層+壓窩墊圈+螺栓+支架”搭接組合方式建立主要電搭接通路建議如下。

（1）壓窩墊片應(yīng)盡可能選擇與噴鋁層/銅網(wǎng)相近且電化學(xué)電位比較接近的金屬墊圈，如果復(fù)合材料上是噴鋁層，應(yīng)盡量選擇鋁合金材質(zhì)的壓窩墊圈，當(dāng)存在兩種及以上鋁合金壓窩墊圈時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮表面處理為化學(xué)轉(zhuǎn)化膜，硬度較低的鋁合金墊圈。

（2）在選擇與支架等結(jié)構(gòu)搭接面相連接的螺母類標(biāo)準(zhǔn)件時(shí)，在保證耐腐蝕設(shè)計(jì)要求的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用導(dǎo)電性能較好的螺母類標(biāo)準(zhǔn)件。

（3）在做好結(jié)構(gòu)件搭接面處理的同時(shí)，對于搭接標(biāo)準(zhǔn)件，尤其是搭接標(biāo)準(zhǔn)件的搭接面，在裝配時(shí)應(yīng)先做好清洗工作，不能認(rèn)為新的標(biāo)準(zhǔn)件無須清洗，盡量增大有效搭接面積，降低搭接電阻。

（4）對開敞性較差區(qū)域的搭接電阻測量，可在已知某部分搭接電阻很小的情況下，分段測量其搭接電阻，間接得到總的搭接電阻值。

復(fù)合材料電搭接是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，除在通路設(shè)計(jì)和工藝上采取措施盡量降低搭接電阻值外，還需要對典型搭接情況進(jìn)行具有統(tǒng)計(jì)意義的試驗(yàn)，搜集不同工人進(jìn)行電搭接操作時(shí)的差異信息，保證復(fù)合材料電搭接的工藝穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1] ARP1870A，Aerospace Systems Electrical Bonding and Grounding for Electromagnetic Compatibility and Safety [S].SAE COMMITTEE AE-4， ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY COMMITTEE，2012.

[2] MIL-STD-464， Electromangnetic Enviroment Effects Requirement for Systems [Z].1997.