高韌性防雷擊復合材料表面膜研究

肖萬寶，李洪峰，曲春艷，王德志，張楊，楊海冬，王永強

黑龍江省科學院石油化學研究院，黑龍江 哈爾濱 150040

熱固性樹脂基復合材料（簡稱復合材料）制件表面最常見的缺陷是針孔、缺膠和貧膠。復合材料表面膜是一種用于復合材料制件外表面的樹脂基膜狀材料，它可以與預浸料共固化，解決復合材料制件表面缺陷、方便施工并可以節省傳統打磨拋光試件的時間和勞力，且重量（質量）可控[1-6]。復合材料結構件表面鋪覆表面膜后，復合材料表面光滑致密。如圖1 所示，左半圖復合材料表面呈現針孔等凹陷，右半圖鋪覆表面膜后表面平整無針孔現象。另外，復合材料表面膜的使用還可以賦予復合材料制件特殊的功能，如與金屬網復合后具有防雷擊等功能[7-14]。由于復合材料導電性能較金屬差，當復合材料遭受雷擊時，很難將高能量的電流傳導出去，必然導致大能量的聚集，從而影響飛機的安全性能，因此必須對飛機復合材料部件進行有效的雷擊防護。目前，飛機上復合材料雷擊防護最行之有效的方法通常采用鋪設金屬網、表面噴鋁、黏結金屬箔或布置分流條等方式，其中鋪設金屬網的方式最為普遍，用量最大。帶金屬網的復合材料表面膜與預浸料共固化到復合材料結構上后，可承受200kA的電流，雷電流從飛機外表面沿金屬網通過，復合材料內部損傷不嚴重，通常造成雷擊點金屬網燒蝕或淺層復材破損，維修人員在維修時只要將損壞的部分剝掉，重新修補就可完成[15-23]。為匹配復合材料樹脂體系，目前有環氧樹脂、雙馬樹脂、氰酸酯樹脂及苯并噁嗪樹脂為主體樹脂的復合材料表面膜[24-30]。

圖1 鋪附表面膜后復合材料表面對比Fig.1 Surface contrast of composite material after surfacing film

本文研制了一種韌性環氧樹脂復合材料表面膜，采用一種雙羥基聚苯醚增韌改性環氧樹脂，得到一種韌性環氧樹脂體系，通過表面膜載體的優選，最后與金屬網復合制備了一種防雷擊復合材料表面膜，其有望在航空航天復合材料結構件中獲得應用。

1 試驗部分

1.1 試驗原料與試劑

試驗中所采用的雙酚A型環氧樹脂（EP）為無錫環氧樹脂廠的產品；雙羥基聚苯醚（MPPO）由鄭州大學提供；載體購自陽江英普奇點五金制造有限公司；KKL系列防雷擊金屬網為航空工業合肥航太電物理技術有限公司的產品；固化劑混合物為自制。

1.2 試驗過程

（1）樹脂試樣制備

將環氧樹脂置于容器中，升溫至190℃，按配方（見表1）加入雙羥基聚苯醚并不斷攪拌，保溫10min，攪拌均勻至完全溶解；降溫130℃左右加入固化劑并不斷攪拌，混合均勻后倒入預熱的模具中；130℃真空脫泡，按照180℃×3h的固化工藝固化樹脂澆鑄體。

表1 試驗配方Table 1 Experimental formula

（2）表面膜制備

采用表1中樹脂配方與載體和金屬網通過熱熔法成膜設備制備出防雷擊復合材料表面膜，制備的表面膜厚度為0.13mm，面密度為150g/m2。

1.3 測試與表征

表面膜樹脂固化物液氮冷凍后淬斷面形貌通過荷蘭Philips 公司的XL30 ESEM 型掃描電子顯微鏡（SEM）進行觀察。表面膜的沖擊強度采用河北承德材料試驗機廠的Charpy XCJ-500型簡支梁沖擊試驗機進行測定。表面膜樹脂的玻璃化轉變溫度采用美國TA 公司的DMA Q800 型動態熱機械分析儀（DMA）測試。

2 結果與討論

2.1 表面膜樹脂的韌性

本文采用沖擊強度和斷裂韌性衡量表面膜樹脂固化物韌性。沖擊強度試樣采用無缺口沖擊試樣，沖擊強度結果如圖2 所示，沖擊強度隨著MPPO 用量的增加而增加，初始韌性增加明顯，當用量超過10phr，增加趨勢變緩。當MPPO用量為20phr 時，缺口沖擊強度達到最大值18.6kJ/m2，相比于未添加MPPO 體系的10.1kJ/m2，沖擊強度增加84.2%，表明表面膜樹脂韌性得到明顯提高。添加MPPO可以提高表面膜樹脂的韌性，但要兼顧表面膜良好的工藝黏性以滿足表面膜樹脂制造工藝的要求。從韌性增加趨勢來看，本文選擇10phr的MPPO增韌表面膜樹脂，此時缺口沖擊強度為17.5kJ/m2。

斷裂韌性表征的是材料阻止裂紋擴展的能力，是度量材料的韌性好壞的一個定量指標，本文選用臨界應力強度因子（KⅠC）來表征表面膜樹脂的斷裂韌性。KⅠC 的計算公式如下。

式中:P為加載應力（N）；B為試樣厚（mm）；W為試樣寬（mm）；ν為泊松比，本文取ν=0.40；E為彈性模量（MPa）；f(x)為預裂紋長度和缺口深度之和a與試樣寬度W的函數（x=a/W），即

表面膜樹脂固化物斷裂韌性測試結果如圖2 所示，從圖2中可知，隨著MPPO的加入和用量的增加，表面膜樹脂斷裂韌性逐漸增加，當MPPO 用量為20phr 時，斷裂韌性最大為1.42MPa·m0.5，斷裂韌性與沖擊強度的變化趨勢相似。

圖2 表面膜樹脂沖擊強度和斷裂韌性Fig. 2 Ⅰmpact strength and fracture toughness of surfacing film resin

圖3為表面膜樹脂固化物液氮冷凍后淬斷面的SEM照片。圖3（a）為未添加MPPO的樹脂斷面照片，斷面平滑，為典型的脆性斷裂形式；圖3（b）為添加10份MPPO的樹脂斷面照片，可以觀察到MPPO 分散在環氧樹脂基體的連續相中，形成環氧樹脂基體中有許多白色環。這些白環結構起到了釘錨的作用，可以有效地阻止和抑制裂紋的擴散。此外，這種錨固結構可以緩解裂紋尖端的應力，降低環氧樹脂基體的應力集中，從而產生韌性斷裂。因此，環氧樹脂基體的韌性顯著提高。

圖3 表面膜樹脂SEM照片Fig. 3 SEM images of surfacing film resin

圖4 為表面膜樹脂的玻璃化轉變溫度。從圖4 中可以看到，隨著MPPO用量的增加，改性體系玻璃化轉變溫度保持在173°C 左右小幅波動（如MPPO 用量為0phr、5phr、10phr、15phr、20phr，玻璃化轉變溫度依次為T0=173.23°C、T5=172.9°C、T10=174.8°C、T15=173.4°C、T20=170.5°C）。說明MPPO對表面膜耐熱性基本沒有影響。

圖4 表面膜樹脂DMA曲線Fig.4 DMA curves of surfacing film resin

2.2 表面膜防雷擊性能

雷電在飛機表面不同的附著特征和傳導特性將飛機表面大致劃分成5個區域（1A、1B、2A、2B和3區）。雷電初始附著概率很高的表面為1 區，雷電從初始附著點位置被氣流吹移通過的概率很高的表面為2 區，3 區為1 區和2 區以外的所有飛機表面，該區域雷電流直接附著概率低，但可能成為雷電流傳導的通道。A區是電弧在它上面懸停可能性較小的區域，B區是電弧在它上面懸停可能性較大的區域。

表面膜與防雷擊金屬網復合構成防雷擊復合材料表面膜。73g/m2的銅網大多用于2A區和3區的防雷擊，141g/m2的銅網大多用于1A 區和2B 區的防雷擊，金屬網規格可根據設計需求調整。金屬網規格見表2，銅的電阻率為1.75×10-8Ω·m，密度為8.9g/cm3；鋁的電阻率為2.83×10-8Ω·m，密度為2.7g/cm3；銅網導電性更優異，鋁網價格便宜，質量輕，但易腐蝕，各具優勢。

表2 幾種常見金屬網性能Table 2 The performance of several common metal mesh

對鋪貼防雷擊表面膜的復合材料層壓板進行了2A 區雷擊試驗，經模擬雷擊B 波平均電流1.80kA，持續時間5.28ms，庫侖量9.52C；C 波平均電流343.01kA，持續時間630.4ms，庫侖量216.32C；D波峰值電流92.46kA，持續時間250.2μs，作用積分0.24×106A2s。試驗結果如圖5所示。圖5（a）為未經防雷擊表面膜保護的復合材料層壓板，圖中可以看到復合材料板出現碳纖維斷裂、分層，復合材料內部出現損傷，圖5（b）為鋪貼防雷擊表面膜的復合材料層壓板，圖中可以看到復合材料板出現金屬網燒蝕，燒蝕面積約為直徑?16cm 的圓，復合材料表面目測無損傷。試驗結果說明防雷擊表面膜有效降低雷電流對復合材料的雷擊損傷。

圖5 復合材料表面膜2A區雷擊后試驗件Fig.5 The specimen of composite surfacing film after 2A zone lightning strike

下一步將開展鋪貼防雷擊表面膜的復合材料層壓板進行不同雷擊分區的雷擊試驗，并對模擬雷擊后的復合材料層壓板進行無損檢測。

3 結論

復合材料表面膜樹脂韌性隨著雙羥基聚苯醚（MPPO）用量的增加而提高，當MPPO 用量為20phr 時，缺口沖擊強度達到最大值18.6kJ/m2，相比于未添加MPPO 體系的沖擊強度增加84.2%，表明表面膜樹脂韌性得到明顯提高，且對表面膜耐熱性基本沒有影響。防雷擊表面膜能有效降低雷電流對復合材料的雷擊損傷。