碳纖維復合材料雷電防護性能研究

許明軒

摘 要：在飛機飛行過程中，雷電襲擊嚴重地威脅著飛行安全。目前，在飛機設計中大量選用了碳纖維復合材料，這種材料能夠有效地降低飛機重量，但是其導電性能比較差，在遭受雷電襲擊的過程中會對飛機造成非常嚴重的損傷。本文分析了火焰噴涂鋁防護和編織銅網防護這兩種防護方法在遭受雷電流時所產生的損傷情況，進而研究提升碳纖維復合材料的雷電防護能力。

關鍵詞：碳纖維復合材料；雷電損傷；雷電防護

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）12-0059-01

目前，飛機在進行材料選擇與設計過程中比較多地選用了碳纖維復合材料，但是在遇到雷電襲擊的情況下，雷電流會對碳纖維復合材料造成不同程度的損傷，必須加強對此種風險的充分研究與分析。

1 不同復合材料的雷電損傷分析

雷電的電壓最多可以達到200kA，高達上百萬電伏，是飛機在飛行過程中需要重點考慮的飛行隱患之一。為了提升飛機續航能力的提升，降低飛機的重量，目前在飛機制造中大量使用了復合材料。碳纖維復合材料在耐腐蝕性、強度與比重方面具有顯著的優勢，但是導電性能比較差，在飛機的飛行過程中極易造成雷電損傷現象的發生，極易造成飛行事故的發生，因此應當加強對此的充分研究與分析[1]。

本文選取了火焰噴涂鋁防護與編織銅網防護這種兩種復合材料雷電防護方法進行對比研究。對雷電反應的效果實驗，采用的實驗方式是對復合材料運用標準組合雷電流SAE ARP5412A標準波形A+B+C*分量進行雷電流注入的實驗方式，分析這兩種防護方式在雷電防護能力上的差異，并利用超聲波掃描的方式得到損傷數據，同時分析復合材料層壓板表面電阻對于雷電損傷所造成的影響。

在實驗件安裝完成之后放置在絕緣臺架之后，分別對兩種方式進行實驗。當電流作用到實驗件時，復合材料導電涂層的導電性能比復合材料基底本身要強，雷電首先在導電涂層的平面方向上進行一定擴散，在發熱的作用之下，造成表面導電層燒蝕現象的發生；當表面導電層蒸發之后，雷電流會注入到碳纖維復合材料的基體之中，使得碳纖維復合材料的基體發生燒灼損傷。碳纖維復合材料在纖維方向上的導電率與厚度方向以及徑向方向上的導電率相比較強，因此導電率在傳導過程中是沿著纖維方向上進行傳導的。在實驗結束之后運用超聲波掃描實驗件的損傷情況，可以發現：采用火焰噴涂鋁防護方式所造成的雷電損傷區域呈現近似圓形的特征，而采用編制銅網防護材料所造成的雷電損傷區域呈現近似菱形的特征。復合材料層壓板的表面燒灼屬于電弧迅速流過，是表面電阻發熱而產生的，隨著表面電阻的增大，電流熱效應所產生的能量也比較大，從而出現比較大的損傷現象[2]。

通過實驗分析可以看到與火焰噴涂鋁防護方式相比采用編織銅網防護的方式所造成的雷電損傷高達29.3%。兩者在其他方面也具有同樣的防護效果，主要體現在深度破壞方面。可以發現，采用火焰噴涂鋁防護方式能夠取得更加理想的防護效果。

在碳纖維復合材料中采用同一種防護方式，隨著表面電阻的增強，其雷電損傷面積也隨之擴大。反之，如果碳纖維復合材料層壓板表面的電阻比較小，雷電所造成的損傷面積也就比較小，也就是具有比較好地雷電防護能力。

2 碳纖維復合材料雷電損傷情況的影響因素分析

雷電對于飛機所造成的損傷情況受到碳纖維復合材料本身以及當時所處的環境的影響，主要包括了導電改性方式的影響，導電鋪層的影響，碳纖維復合材料厚度方向上導電率的影響以及電流峰值的影響等。下面，從這四個方面進行分析。

2.1 導電改性方式的影響

在研究過程中首先選擇不同導電改性方式下T800/5228A碳纖維復合材料的層壓板，以充分研究其在不同導電改性方式下所產生的雷電損傷規律，同時在復合材料層壓板雷電損傷實驗中應當確保是處于標準規定的雷電流波形條件之下，對于不同防護方式所造成的實驗器材的損傷情況進行統計，進而得出提升碳纖維復合材料雷電防護能力的有效方式。

在損傷面積的實驗中可以看到，在雷電流注入之后采用表面一層鍍電膜的方式能夠取得比層間一層導電膜更加理想的防護效果。層間多加一層導電膜能夠取得比層間一層導電膜更加理想的防護效果，至少能夠減少一半以上的損傷。采用鋪導電膜的形式能夠獲得比較理想的防護效果。采用表層鋪導電膜能夠取得比層間鋪導電膜更好地防護效果，在層間進行絕緣無紡布的操作方式對于雷電防護能力的提升并無明顯作用[3]。

在損傷的深度上，在導電傳導中，電流膜起著重要作用，包括對于損傷深度的影響，采用層間多加層導電膜的運作方式能夠取得比較理想的導電效果，能夠提升碳纖維復合材料的雷電防護能力。采用層間加絕緣無紡布的防護方式在碳纖維復合材料的雷電防護能力的提升上所發揮的作用比較有限。

2.2 導電鋪層的影響

目前有限元仿真技術得到了快速地發展，運用專業的仿真軟件能夠有效降低成本，同時得到比較理想的實驗效果。

在鋪層的上表面中央輸入簡化的雷電流模型，雷電流最高達到40ka，在仿真實驗結束之后充分觀察復材板的損傷情況以及復材板的溫度，對采取了導電鋪層防護和沒有防護的復合材料所產生的損傷情況進行對比分析，從而分析導電鋪層對于復合材料的雷電損傷所產生的反應。鋁的沸點是2467度，當電流注入到鋁層之后，因為鋁的沸點比較低，就造成了鋪鋁層大面積損傷現象的發生。根據仿真結果，和沒有進行防護作用的復合材料板導電鋪層相比，所產生的損傷面積比較小。導電鋪層的運用能夠泄放部分的雷電流，同時導電鋪層的燒蝕能夠有效吸收雷電流熱效應所產生的熱量，所以導電鋪層的運用能夠有效保護復合材料板，減少其損傷面積[4]。

2.3 碳纖維復合材料厚度方向上導電率的影響

碳纖維復合材料纖維方向上具有比較高的導電率，能夠進行很好地導電，但是在厚度方向上，與纖維徑向方面所構成的導電率比較小。因此在碳纖維復合材料雷電防護能力的提升中起著重要制約作用的因素就是碳纖維復合材料的厚度方向上的導電率。

在損傷面積上，碳纖維復合材料厚度方向的導電率逐漸增加的情況下，所造成的損傷面積也在逐漸降低，因此為了促進碳纖維復合材料雷電防護能力的有效提升，可以采用增加導電率從而促進碳纖維復合材料厚度方向上導電率提升的方向。

在損傷厚度上，隨著厚度方向上導電率的增加其造成的雷電損傷在逐漸降低，因此為了促進碳纖維復合材料雷電防護能力的提升可以采用提高復合材料厚度方向上導電率的操作方式。

2.4 電流峰值的影響

雷電波形中的重要參數之一是電流峰值。在特定沖擊電流波形的作用下，隨著電荷量的增大，其峰值也隨著增大。這對于碳纖維復合材料雷電防護的提升具有重要的影響作用。從損傷面積情況來看，隨著電流波形峰值的增大，其損傷面積也隨著增大，損傷面積的增加幅度也在隨著增大。在損傷造成的深度方面，隨著波形峰值的增加，損傷深度也在隨著增加，當處于4/20us簡化雷電波形之下，雷電流的峰值與雷電所造成的深度呈現出線性的關系[5]。

3 結語

目前飛機在制造材料的選擇上大量使用了復合材料，其各方面優勢比較明顯，但是與鋁制材料相比，碳纖維復合材料的導電性能比較差，隨著電流的擴散會造成嚴重的損傷。采用火焰噴涂鋁防護和編織銅網防護的碳纖維復合材料相比能夠實現更好的雷電防護能力。雷電損傷的發生過程與碳纖維復合材料本身以及雷電環境有一定的關系，應當采取有效措施提升雷電防護能力，保障飛行安全。

參考文獻

[1]王明廣.飛機碳纖維復合材料層壓板雷電損傷特性研究[D].合肥工業大學，2017.

[2]劉輝平.碳纖維復合材料雷電損傷特性研究[D].合肥工業大學，2016.

[3]胡好.三種飛機碳纖維復合材料層壓板雷電損傷研究[D].合肥工業大學，2014.

[4]司曉亮，李志寶，劉輝平，等.碳纖維復合材料雷電損傷預測[J].高電壓技術，2017，43（5）：1453-1459.

[5]黃來，李毅超，車紅衛，等.編織碳纖維復合材料雷擊損傷特性研究[J].玻璃鋼/復合材料，2016，（10）：65-69.