含銅網復合材料雷電流直接效應實驗研究

肖 堯, 李曙林, 尹俊杰, 姚學玲, 張先航

（1.空軍工程大學 航空工程學院，西安 710038；2.西安交通大學 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，西安 710049）

復合材料作為一種新興材料，與傳統金屬材料相比，具有優異的比剛度和比強度，且抗腐蝕性和抗疲勞性強等優點，在航空航天領域得到了廣泛的應用[1-2]。與金屬材料相比，復合材料具有較低的導電性，其電阻率相比于傳統的金屬材料高出三個數量級，當雷電擊中復合材料結構飛機后，更加容易產生損傷。一旦遭到雷擊，流經相同的雷電流，具有較高電阻率的碳纖維復合材料將比金屬產生更多的阻性熱，對復合材料產生嚴重的熱燒蝕損傷，致使材料結構遭到嚴重破壞，進而危及飛機飛行安全[3-5]。為了提高復合材料的抗雷擊性能，目前廣泛采用在復合材料表面鋪設金屬網箔、噴涂金屬涂層等方法，以增強復合材料表面電導率，達到防雷擊的效果[6]。

為了研究復合材料抗雷擊方式的具體防護效果，國內外研究者已經通過人工模擬雷電流裝置開展了實驗研究。Kawakami等[7]采用雷電流D波對含銅網防護700S/2510復合材料進行了實驗，評估了銅網防護效果，并對雷擊損傷后的修補工藝進行了研究。王富生等[8]采用雷電流A波和D波對0.1 mm和0.2 mm的局部噴鋁以及全噴鋁T700/3234復合材料進行了雷電流沖擊實驗，對比分析了各自的損傷面積大小，得出0.2 mm厚度的鋁層比0.1 mm厚度的鋁層雷擊防護效果更好，全噴鋁比局部噴鋁雷擊防護效果更好。國內學者對于不同防護形式雷擊的損傷模式和損傷機理也進行了相關研究。

總體上碳纖維復合材料雷擊損傷實驗研究的文獻報道較少，主要側重于分析不同防護形式的雷擊防護效果[9-11]，但對某種具體防護形式能承受的極限雷電流強度的量化測定研究很少。本研究采用兩種雷電流波形，對含銅網與無銅網防護復合材料試件進行模擬雷電流沖擊實驗，評估含銅網防護復合材料的雷擊防護效果，確定其能夠承受的最大雷電流強度門檻值。

1 雷電流直接效應實驗

1.1 試件

針對碳纖維/環氧樹脂基復合材料雷電流直接效應實驗的試件制備，國內外還沒有相關的標準。根據已有的文獻資料可知，在對復合材料雷擊損傷模式與雷擊損傷機理進行研究時，主要參考碳纖維復合材料沖擊損傷測試和剩余壓縮強度測試的標準 ASTM D7136 和 ASTM D7137 制備 150 mm ×100 mm的標準試件。同時，為了兼顧考察含雷擊損傷復合材料剩余拉伸強度，也參考GB/T 3354—2014定向纖維增強聚合物基復合材料拉伸性能試驗方法。

采用目前飛機上常用的復合材料制備試件。材料體系為T300碳纖維/3021環氧樹脂基單向結構復合材料，其中，碳纖維體積分數為60%。試件厚度為3.6 mm，單層厚度為0.15 mm，共計 24層，鋪層順序為[45/–45/0/90/90/–45/0/45/0/90/–45/45]S。試件包括兩種尺寸：一類為 150 mm × 100 mm（Type 1）；另一類為 250 mm × 45 mm（Type 2）。每類同時制備無銅網防護試件和含銅網防護試件。表面銅網防護層厚度為0.25 mm，銅絲網的網眼數為1100目，銅絲直徑0.25 mm，通過制備階段的共固化將銅網敷設于試件表面。試件如圖1所示。

圖1 碳纖維復合材料試件 （a-1）型號一無銅網;（a-2）型號一含銅網;（b-1）型號二無銅網;（b-2）型號二含銅網;Fig.1 Carbon fiber composite laminate specimen （a-1）Type 1 without copper wire mesh;（a-2）Type 1 with copper net;（b-1）Type 2 without copper wire mesh;（b-2）Type 2 with copper wire mesh

1.2 實驗設備及設置

雷電是一種十分劇烈的瞬間大氣放電現象，還是一種強電磁脈沖源，具有很大的能量，雷電放電時電壓會高達幾十上百萬伏特，電流則可能大致幾十萬安培，雷電流破壞作用強，具有很大的危險性。為了對雷電流在實驗室內進行模擬，常常采用沖擊電流發生器。沖擊電流發生器主要通過電容充/放電過程，實現對自然雷電的近似模擬。本研究采用西安交通大學電力電子專用設備研究所自主研發的模擬雷電流設備ICTS-A/D-200/100型沖擊電流發生器，原理如圖2所示。

圖2 沖擊電流實驗電路圖 Fig.2 Impact current test circuit

沖擊電流發生器主要由沖擊發生主回路、電容器恒壓充電裝置、去耦網絡箱、控制系統以及波形采集和微機數據處理系統組成。

人工模擬雷電流實驗除了需要沖擊電流發生器之外還需要一個特殊的試件夾持平臺。因為人工雷電流所能達到的電氣參數指標和自然雷電相仿，有時甚至高于自然雷電，會產生非常高的電壓和電流，雷擊損傷測試實驗的危險系數高、特殊性強，既要保證絕緣性又要保證電流的安全疏導和接地。本實驗所用夾具如圖3所示。

圖3 雷擊實驗專用夾具Fig.3 Special fixture for lightning strike test

實驗過程中，將試件固定在夾具上，為了盡可能減小試件與夾具之間的接觸電阻同時保證試件側邊等電位，在試件側邊涂覆導電銀膠。放電電極位于試件中心正上方，在實驗過程中，均保證試件與放電電極之間的距離為1 mm。

1.3 實驗方案

實驗方案如表1所示。

波形1是在標準雷電流A波基礎上模擬的小峰值電流，波形2是在標準雷電流D波基礎上模擬的小峰值電流。T1表示上升到90%峰值電流的時間，T2表示下降到50%峰值電流對應的時間。由GJB3567—1999可知，當波形表示電流時，其作用積分是電流傳遞能量的能力的度量，作用積分的計算公式為：

式中：i為所模擬的雷電流，是隨時間變化的函數；t為雷擊作用時間。

采用D9500型超聲掃描顯微成像系統檢測雷擊后的試件的損傷面積和損傷深度。

表1 雷擊防護效果評估實驗方案Table1 Test plan of evaluation for lightning strike protection effect

2 結果與分析

圖4為無銅網防護Type 1試件在波型1不同峰值電流作用下的雷擊損傷目視形貌以及超聲穿透式損傷掃描圖像，圖5為含銅網防護Type 1試件在波型1不同峰值電流作用下的雷擊目視損傷形貌以及局部損傷顯微放大圖。

由圖4可看出，同樣波形不同峰值雷電流造成的損傷不同，峰值越大，表觀損傷面積越大；試件表面雷擊點處存在明顯的碳纖維斷裂以及樹脂燒蝕痕跡，還存在一定的分層損傷，斷裂后的碳纖維束翹曲，沿表面45°方向分布，該分布與表層碳纖維鋪層方向一致，整體表觀損傷形貌呈菱形分布；透視損傷與表觀損傷對比，可發現透視損傷面積更大，因為鋪層的方向性，透視面積是每層沿各個方向的疊加。

圖4 無銅網防護Type1試件雷擊損傷 （a-1）波型1峰值電流51.2 kA作用后D3試件目視形貌;（a-2）圖（a-1）局部超聲穿透損傷掃描圖像;（b-1）波型1峰值電流79.2 kA作用后D4試件目視形貌;（b-2）圖（b-1）局部超聲穿透損傷掃描圖像Fig.4 Lightning damage of Type1 test pieces without copper wire mesh （a-1）visual lightning damage of D3 specimen after wave Type 1 at 51.2 kA peak current;（a-2）damage image of local ultrasonic penetrating scanning for Fig.（a-1）;（b-1）visual lightning damage of D4 specimen after wave Type 1 at 79.2 kA peak current;（b-2）damage image of local ultrasonic penetrating scanning for Fig.（b-1）;

由圖5（a）可以看出，雷擊后，試件D2表面銅網存在直徑約為40 mm的明顯燒蝕痕跡，對雷擊點處（Location B）采用KH-8700型光學顯微鏡進行觀察，發現雷擊附著點處的銅網有燒蝕痕跡，且存在輕微熔化現象，但試件處于完好狀態。與圖5（a）試件D3對比表明，當雷電流波形參數為4.95/19.2 μs、峰值電流為 53.2 kA 時，厚度為 0.25 mm 的銅網能夠有效對復合材料進行雷擊防護。

由圖5（b）可以看出，雷擊后，試件D5表面銅網同樣存在明顯燒蝕痕跡，在雷擊點處，銅網發生了破壞，對雷擊點（Location C）采用光學顯微鏡進行觀察發現，在雷電流作用下，銅網發生了融化、斷裂，試件第一層裸露，通過進一步放大觀察，可見裸露的第一層表面存在明顯的樹脂燒蝕痕跡，少量碳纖維裸露、斷裂，這表明雷電流開始產生損傷。與圖4（b）試件D4對比表明，當雷電流波形參數為4.85/19.64 μs、峰值電流為 79.8 kA 時，厚度為 0.25 mm的銅網能夠有效對復合材料進行防護，但由于雷擊點處的銅網已經融化、斷裂，若繼續增加雷電流強度，銅網則不能繼續有效地對試件進行防護。

圖5 含銅網防護試件雷擊后目視及光學顯微損傷形貌 （a-1）試件D2雷擊表觀損傷;（a-2）未損傷區域表面放大圖;（a-3）附著點損傷形貌放大圖（53.2 kA）;（b-1）試件D5雷擊表觀損傷;（b-2）位置C附著點損傷形貌放大圖;（b-3）位置E損傷形貌放大圖;（b-4）位置F損傷形貌放大圖;（b-5）位置D附著周圍損傷形貌放大圖（79.8 kA）Fig.5 Visual and optical microscopic damage morphologies of test pieces with copper wire mesh after lightning strike （a-1）surface lightning damage of Specimen D2;（a-2）enlarged morphology of undamaged surface area;（a-3）enlarged damage morphology of lightning attachment point（53.2 kA）（b-1）surface lightning damage of Specimen D5;（b-2 ）enlarged damage morphology of lightning attachment point location C;（b-3）enlarged damage morphology of location E;（b-4）enlarged damage morphology of location F;（b-5）enlarged damage morphology of lightning attachment surrounding location D（79.8 kA）

根據上述結果可知，當峰值電流為53.2 kA時，銅網開始出現損傷；當峰值電流提高至79.8 kA時，銅網完全損傷，且試件表層開始出現損傷。因此，對于厚度為0.25 mm的銅網，其能承受的波形1極限雷電流是參數為 T1/T2= 4.85/19.64 μs、峰值電流為79.8 kA的雷電流。當雷電流強度超過該水平，試件會產生損傷。

通過超聲掃描顯微成像系統檢測得到的無銅網防護Type 1試件在不同峰值雷電流波形1作用下的損傷面積和損傷深度，試件D3損傷面積和損傷深度分別為 1785 mm2，0.63 mm，試件 D4 損傷面積和損傷深度分別為 3041 mm2，0.96 mm。而含銅網防護Type 1試件D2損傷面積和損傷深度為0，D5剛開始產生損傷，損傷深度與損傷面積也近似為0。因此銅網能對復合材料進行有效的雷擊防護，并且防護效果明顯。

圖6為Type 2試件在電流波形2作用下的目視損傷形貌和超聲穿透式損傷掃描圖像。由超聲損傷檢測結果可知，試件Y-A-5在41.24 kA的波形2電流作用下，其損傷面積為2156.75 mm2；損傷深度為0.36 mm，而試件Y-A-8在41.67 kA的波形2電流作用下，其損傷面積小于100 mm2，且主要為表面銅網燒蝕，里層復合材料未損傷。試件Y-A-8雷擊實驗結果表明，對于0.25 mm厚的銅網，其能夠承受的波型2極限雷電流是參數為T1/T2= 26.76/193.83 μs、峰值電流為 41.67 kA 的雷電流，當雷電流強度超過該值，將產生損傷。

對比表1中試件D5和Y-A-8試件雷電流參數，雖然波形不同，峰值電流不同，但其損傷均為表面銅網完全燒蝕，試件表面開始出現損傷。對比其作用積分值，兩者僅相差約7%。該對比結果表明，對于0.25 mm厚銅網，其能夠承受的最大雷電流強度存在一個門檻值，該門檻值可用作用積分來進行表示，雷擊防護效果與試件尺寸無關，僅與作用積分有關，當作用積分超過門檻值，則會出現損傷。0.25 mm厚銅網，其對應作用積分門檻值約為85218 A2·s。

圖6 Type 2型試件雷擊損傷 （a-1）波型2峰值電流41.24 kA作用后Y-A-5試件目視形貌;（a-2）局部超聲穿透損傷掃描圖像;（b-1）波型2峰值電流41.67 kA作用后Y-A-8試件目視形貌;（b-2）局部超聲穿透損傷掃描圖像Fig. 6 Lightning damage of Type 2 test pieces （a-1）visual lightning damage of specimen Y-A-5 after wave Type 2 at 41.24 kA peak current;（a-2）damage image of local ultrasonic penetrating scanning for Fig. （a-1）;（b-1）visual lightning damage of specimen Y-A-8 after wave Type 2 at 41.67 kA peak current;（b-2）damage image of local ultrasonic penetrating scanning for Fig.（b-1）

3 結論

（1）表面覆有銅網能夠對復合材料層壓板進行有效的雷擊防護。雷電流波形1作用下，尺寸為150 mm × 100 mm 的試件，無銅網防護的在51.2 kA時損傷面積和損傷深度分別為1785 mm2，0.63 mm，在79.2 kA時損傷面積和損傷深度分別為 3041 mm2，0.96 mm，有銅網防護試件同樣條件下，損傷深度與損傷面積都近乎為0；雷電流波型2 作用下，尺寸為 250 mm × 45 mm 的試件，無銅網防護的在 41.24 kA 時損傷面積為 2156.75 mm2；有銅網防護的在41.67 kA時損傷面積小于100 mm2。

（2）0.25 mm厚銅網能夠承受的最大雷擊強度存在一個門檻值，該門檻值可用作用積分來表示，當作用積分超過門檻值，則會出現損傷。0.25 mm厚銅網，其對應作用積分門檻值約為85218 A2·s。