碳纖維復合材料基體改性/銅網組合雷擊防護性能的研究

肖堯 張獻逢 董俊 劉曉山 梁赟

（空軍工程大學航空機務士官學校，信陽 464000）

文摘 傳統碳纖維復合材料（CFRP）樹脂基體導電性差易遭受雷擊損傷，本文使用石墨烯-鍍鎳碳纖維粉作為導電填料，對樹脂基體進行電導率改性，并在表面鋪設銅網，進行模擬雷電流沖擊試驗，檢驗基體改性/銅網組合雷擊防護效果。試驗結果表明，樹脂基體改性后CFRP 層壓板在0°、90°纖維方向及厚度方向電導率分別為1.1571×104、1.0871×104、204.2 S/m，分別提高1.54 倍、1.16 倍、433.47 倍。200 kA 模擬雷電流A 波沖擊下，無防護試件雷擊附著后明火燃燒，次生效應持續，而單一銅網防護和組合防護則能抑制次生效應；無防護表面最大損傷直徑14.62 cm，此能量下銅網被擊穿，單一銅網防護表面最大損傷直徑19.05 cm，而組合防護表面最大損傷直徑8.93 cm，下降53.12%；相比無防護試件，單一銅網和組合防護內部損傷面積分別下降66.2%和96.7%。單一銅網擊穿后，樹脂燒蝕后產生汽化反沖，增大損傷銅網脫落面積；組合防護銅網擊穿后，改性樹脂迅速導走電流，減小銅網脫落和內部燒蝕面積。

0 引言

碳纖維樹脂基復合材料（CFRP）憑借其優異的力學性能、抗腐蝕性和可設計性在飛機結構上得到了廣泛應用，但是樹脂基體導電性差，易在雷電流作用下產生大量阻性熱，造成嚴重燒蝕損傷甚至產生局部爆炸。隨CFRP 在飛機上應用比例逐步上升，且其應用逐步從次承力結構向主承力結構過渡，使得其雷擊損傷防護愈發重要。

CFRP 雷擊損傷防護核心就是將附著的雷電流及時導流，降低焦耳熱的積聚。傳統的防雷擊措施是在CFRP 表面粘貼金屬防護網、導流條等高電導率材料，而現在新型的防雷擊理念則是對絕緣的樹脂基體進行電導率改性，從根源上解決雷電流傳導問題，降低雷擊損傷。GUO YUN［1］對金屬網防護的CFRP 層合板進行雷擊試驗，并利用菱形網格使防護網的導電性呈現出各向異性特征，結果表明銅網和鋁網都具有較好的防護效果，且導電各向異性對防護效果具有影響。WANG［2］等發現銅網防護效果優于鋁網防護，網格間距在3.2 mm 時其防護效果較佳，網格間距減小到一定程度時，繼續減少，其防護效果增加趨勢減緩。作者［3］研究了銅網防護CFRP雷電流直接效應，發現不同厚度的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表示，當超過門檻值CFRP 則會出現雷擊損傷；0.25 mm 厚銅網，其對應作用積分門檻值約 85 218 A2·s。B.ZHANG［4］等考慮到銅鋁網箔易產生電化學腐蝕，使用石墨烯和摻銦氧化錫（ITO）基納米復合材料作為保護涂層進行替代，試驗驗證了其導電性能和抗腐蝕性。JINHUA HAN［5］則通過添加碳納米管紙制備出不同厚度的導電巴基紙，附著于CFRP 層合板表面，發現其能夠防雷擊，但是絕緣的黏結劑層則不利于電流傳導。RAIMONDO、GUADANO［6-7］等通過含石墨烯及籠型聚倍半硅氧烷（POSS）的填料對環氧樹脂阻燃性和電導性改性提高，減弱了高溫樹脂分解，同時在納米尺度上觀察到了石墨烯導電網絡的形成，但尚未進行雷擊試驗驗證。作者團隊［8］前期將銀粉和少量碳納米管作為導電填料，對環氧樹脂進行了電導率改性，使得電導率達到105S/m，并模擬了峰值60 kA的D波雷電流沖擊，防護效果明顯。

文獻［9-13］研究表明，石墨烯［14］（GNPs）比表面積大，對改性樹脂的增稠效應十分顯著［15］；而鍍鎳碳纖維粉顆粒較大，相對易于分散［16］，這兩自身電導率很高，作為導電填料，分散后能夠在樹脂基體中形成導電網格，同時相比于用銀粉作為導電填料，石墨烯和鍍鎳碳纖維粉的密度更低。金屬網電導率高，表面單層一次性防護；樹脂基體電導率改性，整體性多層防護。高能量雷電沖擊下，銅網擊穿失效，而基體改性防護損傷深度太深，因此本文綜合兩者優點，對CFRP 進行樹脂基體改性與表面銅網聯合防護，檢驗其防雷擊性能。

1 實驗

1.1 基體改性原料

基體改性所用原料包括：石墨烯粉、鍍鎳碳纖維粉、中溫固化環氧樹脂、無水乙醇。其中，石墨烯粉選用ZS-001 型，電導率1.3×105S/m，粒徑（D50）4～7 μm，堆積密度0.01～0.02 g/mL，單層率＞80%，比表面積50～200 m2/g；鍍鎳碳纖維粉選用ZS-3012 型，電導率1.4×104S/m，粒徑（D50）8～12 μm，堆積密度0.1 g/mL，熱導率680 W/（m·K）；中溫固化環氧樹脂選用AED-S1000型，無水乙醇選擇分析純。

1.2 導電樹脂漿料制備

5組不同配方改性漿料的導電填料的占比如表1所示。采用超聲分散和機械攪拌結合的方法，對樹脂進行改性［17-18］。使用超聲分散儀器（WL-5L）、雙行星攪拌機（S-260）、三輥研磨機（BT-50L）將原料充分分散，最后用真空烘箱（D2F-6020AB）提純。

表1 不同配方導電填料占比Tab.1 Proportion of conductive fillers with different formulations

1.3 改性層壓板電導率測試

5組改性樹脂漿料黏度依次增加，按照碳纖維與樹脂60%∶40%的比例，將未改性和改性樹脂漿料與T300 碳纖維編織布（HFW200P）做成預浸料，使用熱壓罐加溫加壓固化（120 ℃、-80 kPa），得到不同改性程度的編織層壓板，按復合材料層壓板電導率測試方法［18］測量0°、90°纖維方向及厚度方向的電導率。

1.4 雷擊試件與設備

依據ASTM D7137 標準，設計3 種防護方式層合板：無防護、銅網防護、基體改性/銅網組合防護。針對傳統編織銅網存在搭接電阻的缺陷，采用防雷專用銅網（ABEMM-Cu195-1000），該型銅網是由銅片經過切孔、拉伸等技術一次成型［19］，銅絲之間不存在接觸電阻和接觸熱阻，同時對構件氣動外形的影響也更小，如圖1所示。

圖1 防雷擊專用銅網Fig.1 Special copper wire mesh for lightning protection

用平紋編織碳纖維和樹脂做成預浸料，利用熱壓罐成型技術進行固化，得到編織復材層壓板試驗件，平紋編織夾角90°，共12 層，每層厚度0.2 mm，試件尺寸為300 mm×300 mm×2.4 mm。

試驗設備采用全自動沖擊電流測試系統（LCG-200S型），最大可產生220 kA模擬雷電流A分量（圖2）。

圖2 沖擊電流發生器Fig.2 Impulse current generator

由于雷擊能量超過200 kA，需要搭建專用夾具，使用2 塊銅制長條托舉試件下表面，使用4 塊鋼制長板壓于試件上方，鋼條、銅條均與地線相連，試件與地面間使用陶瓷絕緣子絕緣支撐，如圖3所示。

圖3 專用絕緣夾具Fig.3 Special insulation fixture

1.5 雷擊試驗方案

根據SAE ARP—5412 標準，用于雷電流直接效應實驗的波形分為震蕩波和單向波，二者等效，當電流峰值均達到200 kA（±10%），上升時間T1小于50 μs，作用積分均達到2 MA2s（±20%），衰減至1%峰值電流的時間小于500 μs，達到標準雷電流A 分量要求。實驗中采用震蕩波形A 波，對無防護、銅網防護、組合防護3件復合材料層壓板進行雷擊試驗。參數如表2所示。

表2 雷電流直接效應實驗方案Tab.2 Lightning current direct effect test program

2 結果與分析

2.1 基體改性配方優選

0°、90°及厚度方向的電導率分別標為σ1、σ2、σ3，各配方層壓板電導率實測結果如表3所示。

表3 不同配比的基體改性復合材料層合板平均電導率Tab.3 Average conductivity in three directions of matrix modified composite laminates with different ratios S/m

由表3 和圖4（a）可知，隨著石墨烯-鍍鎳碳纖維粉導電填料增加，層壓板各方向的電導率逐漸提升，在2-2 組配比下達到峰值，其中0°和90°纖維方向電導率均達到了105量級；由于其漿料流動性已逼近制備預浸料的最低要求，不能繼續增加導電填料密度，因此選2-2組配方為最終基體改性配方，用于后續雷擊試驗。由圖4（b）可知，2-2組配比下的平均電導率的提升率主要體現在厚度方向上，0°纖維方向提高1.54 倍，90°纖維方向提高1.16 倍，厚度方向提升433.47倍，實現了對樹脂基體的絕緣改性。測量2-2組配比的導電樹脂固化后質量，改性后48.90 g 比未改性46.99 g，增重約4.46%。

圖4 不同配比基體改性層壓板3個方向平均電導率Fig.4 Average conductivity in three directions of matrix modified laminates with different ratios

2.2 雷擊試驗現象

雷電流沖擊試驗過程，相比于60 kA 雷電流D 波放電［8］，200 kA 雷電流A 波放電產生的爆炸聲更大，發出的強光更加耀眼；同時汽化反沖效應更加顯著，并由此引起大量火花迸射，如圖5所示。

圖5 電流附著瞬間示意圖Fig.5 Schematic diagram of current attachment moment

待雷擊放電和火花迸射在5 ms內結束后進入雷擊后次生效應階段，無防護試件可見明火，持續時間約為8 s；銅網防護和組合防護試件均未出現明火，但其生成的煙霧更加濃烈，為燃燒不完全所致（圖6）。

從雷擊后的次生破壞效應看，在超大能量雷電流沖擊下，沒有防護措施時，樹脂基體電阻熱急速增加，持續燒蝕，而銅網和基體改性都可以導流，起到抑制作用，組合防護效果更好。

2.3 表觀損傷分析

雷擊結束后試件迅速冷卻，2 min 左右降至室溫，取下試件對表觀損傷進行目視檢查，見圖7。

圖7 試件表觀損傷情況Fig.7 Apparent damage of specimens

與單向鋪層試件的損傷區域不同，無防護的編織鋪層試件在各方向上的損傷延伸較為均勻，在沿橫向纖維和沿縱向纖維上損傷尺寸最大，使其整體呈現菱形分布特征，這與其電導率在鋪層面內的分布特征密切相關，其最大損傷直徑達到14.62 cm；單一銅網防護試件與組合防護試件均能有效降低內部CFRP 的雷擊損傷程度，但其對防護銅網犧牲量不同，單一銅網防護的最大脫落直徑達到19.05 cm，而組合防護的僅為8.93 cm，下降53.12%，說明基體改性能夠有效減少銅網損傷，提高了銅網防護的雷擊防護效率。銅網與層壓板膠接成形，200 kA 的模擬雷電流，足以擊穿銅網，此時內部CFRP 樹脂燒蝕后產生汽化反沖，造成銅網脫落，受損面積在擊穿損傷的基礎上進一步增大，所以單一銅網防護比無防護損傷直徑大；但是組合防護，擊穿后內部樹脂電導率改性，迅速導走電流，抑制了汽化反沖，減小了銅網的脫落。

2.4 內部損傷分析

使用相控陣超聲檢測儀（CTS-PA22）對試件中央損傷區域背面進行超聲C 掃描探測，圖8為試件在兩次相鄰掃掠路徑上的C 掃描圖像，紅色區域為超聲波反射強烈區域，損傷嚴重；綠色為輕度損傷。

圖8 超聲C掃結果Fig.8 Results of ultrasonic C-scan

對比3種試件的超聲反射場圖像，容易發現試件內部損傷情況與表觀損傷一致：無防護試件的內部損傷區域最大；銅網防護試件的損傷區域迅速減小，但內部仍有部分缺陷；組合防護試件則十分完好，未見紅色區域。利用像素統計的方法對紅色區域損傷面積進行量化，如表4所示。

表4 內部損傷面積Tab.4 Internal damage area

銅網防護試件和組合防護試件分別比無防護試件的內部損傷面積下降64.9%和96.2%，說明了基體改性不僅能夠顯著減少表面銅網的脫落面積，還能夠進一步對內部CFRP 起到防雷擊作用。試件表面和內部損傷情況對比如圖9所示。

圖9 試件表觀和內部損傷情況Fig.9 Surface and internal damage of specimens

2.5 組合防護機制

綜合對比試件表觀和內部損傷，結合圖10 可以分析組合防護的作用機制。

當表面銅網未被擊穿時，銅網迅速傳導電流，同時也會有少量電流向下進入復合材料。此時若復材基體未改性，則電流主要在復材表層內通過碳纖維傳導，厚度方向由于樹脂電導率差，電流不易向下跨層傳導；而復材基體改性后，碳纖維和樹脂都能導電，每層內部以及層間都形成導電網格，電流既在復材表層內傳導，也向下跨層傳導，輔助銅網及時導流。

當表面銅網被擊穿時，電流直接進入復材。此時若復材基體未改性，電流無法導走，復材表層積聚大量阻性熱，樹脂迅速熱解汽化，反作用于表面銅網和表層復材，加重銅網脫粘和復材分層；而復材基體改性后，電流逐層向下傳導，降低單層焦耳熱積聚，從而降低內部燒蝕損傷，樹脂熱解汽化程度降低、氣體減少，抑制了汽化反沖作用，減小銅網脫粘面積和復材分層。

因此基體改性和銅網的組合防護，能進一步提升雷擊防護效率，起到“一加一大于二”的效果，面對超大能量雷電流時，防護效果比單一防護更好。

3 結論

（1）使用石墨烯-鍍鎳碳纖維粉作為導電填料，能夠對樹脂基體進行電導率改性，隨著導電填料增加，電導率逐漸提升，當導電填料占比達到25%～27%時，電導率達到峰值，由于此時樹脂流動性已逼近制備預浸料的最低要求，不能繼續增加填料。基體改性樹脂浸潤T300 碳纖維編織布制成層壓板，0°纖維方向、90°纖維方向、厚度方向平均電導率分別為1.1571×104、1.0871×104、204.2 S/m，相比未改性分別提高1.54 倍、1.16 倍、433.47 倍，且改性前后樹脂僅增重4.46%。

（2）在基體改性層壓板表面鋪設銅網，形成基體改性/銅網組合雷擊防護，模擬雷電流A波沖擊下，單一銅網防護和組合防護，都能抑制雷電流附著后的次生效應；200 kA 時，表面銅網被擊穿，但組合防護能夠抑制銅網擊穿后內部CFRP 樹脂燒蝕造成的汽化反沖，減少銅網脫落面積，從而降低內部雷擊損傷；與無防護相比，單一銅網防護和組合防護下內部損傷面積分別下降66.2%和96.7%，超大能量雷電流，組合防護比銅網防護防雷擊效果更好。

（3）基體改性與銅網的組合防護機制為：銅網防護發揮作用時，復合材料基體改性能起到分擔雷電流的作用；銅網防護失效后，基體改性不僅能顯著抑制復合材料的雷擊損傷，還對銅網起到反向防護作用。