飞机抗雷击复合材料的研究进展

姜恺悦，张卫东，邱 华，齐暑华

（西北工业大学理学院应用化学系，陕西 西安 710129）

飞机抗雷击复合材料的研究进展

姜恺悦，张卫东，邱 华，齐暑华

（西北工业大学理学院应用化学系，陕西 西安 710129）

新型飞机的雷击防护是对航空运行安全具有重大影响的关键问题。本文对当前飞机雷击防护领域常用的雷击防护措施及具有良好发展前景的新型防雷击方法的研究进展进行了综述，并展望了未来的研究方向。

雷击防护；复合材料；导电

目前，新型飞机均大量使用纤维增强树脂基复合材料作为结构用材。其在飞机上的广泛应用得益于高比强度和比模量，但相比于金属材料，其导电性差的特点导致了抗雷击性能差，而飞机是否能够在雷电交加的天空中安全地飞行，抗雷击性是最为重要的考虑因素之一。对于纤维增强树脂基复合材料，若缺乏足够的保护措施，在遭受雷击后，这些复合材料结构往往会出现比传统飞机中相应金属结构更为显著的损伤和破坏，除了变色、变形，还伴有纤维碳化、分层和树脂分解等，成为飞行器难以忽视的安全威胁。目前的保护方法有以下几种。

1 防雷金属网

目前国内外多数飞机复合材料多采用金属网作为雷击防护层，常见的金属为铜和铝。

覆盖金属网的方法是将铝或铜网粘接在结构表面或埋在外层下面。该金属网代替了旧的金属丝编织产品，丝束不会松开，可层压、喷涂和电镀。格网粘贴到复合材料结构上后，可承受200 000 A的电流（一般雷击电流为100 000 A），修理时将其损坏部分剥掉，砂除表面，重新胶粘[1]。金属网一般分为2种：编织网和斜拉网。其中，编织网仍然应用于波音787飞机上作为抗雷击结构[2]。Liliana Arevalo和Cooray Vernon[3]进行了雷击模拟实验，证实了不同抗雷击级别对应的金属网格的尺寸大小。Kawakami等[4]选用T700/2510作为复合材料层合板，在其表面安装铜网并进行雷击试验，其结果表明：损伤主要出现在雷击附着点附近，表现为复合材料的划痕、基体的烧蚀和铜网的熔融，铜网与复合材料出现了分层且损伤主要沿铜网丝方向，尤其集中在网丝交叉处。

2 金属表面层纤维增强复合材料

2.1 电弧或火焰喷涂法

电弧和火焰喷涂是指利用电弧或燃烧火焰做热源，将金属熔化后喷镀到受防护表面或制造零件的模子里，最常用的金属是铝，厚度约0.1～0.2 mm。纪朝辉等[5]分别设计了复合材料表面火焰喷涂铝涂层、粘接铝箔网及粘接铝箔3种雷击防护层形式，并经实验分析得到3种防护层的导电性能特点，铝涂层的线电阻值最小但质量最大，根据其适用部位不同，现役机型大量采用了这3种导电层作为其复合材料部件表面的雷击防护层。F.S.Wang等[6]分别制得未镀金属层、全铝镀层、局部铝镀层及在紧固件玻璃布上镀铝层这4种不同类型的碳纤维/环氧复合材料层压板，并对其进行脉冲电流试验和耦合热/电/结构的三维有限元模型模拟，分析其抗雷击烧蚀性能，结果表明纤维受损面积和最大损伤厚度随电流峰值增大而增大，较厚的铝层有更好的抗雷击效果。

2.2 化学镀法

Ni、Cu、Ag等金属常采用化学镀方法沉积到织物、纤维、合金上，其镀层均匀，能提高产品的耐蚀性和使用寿命，还能提高耐磨、导电、电磁屏蔽等特性[7～9]。 梁科等[10]利用扫描电子显微镜和X射线衍射分析了铜镀层的表面形貌与晶体结构，发现在化学镀法中，增加硫酸铜浓度会使得沉积速率逐渐升高，镀层电阻值逐渐降低，导电性增加。当硫酸铜浓度为14 g/L时，电阻为19.8 mΩ/sq，具有良好的导电性。

3 防雷胶膜

金属网一般与复合材料结构一体成型，加工困难，不易维修，因此在金属网的基础上出现了防雷胶膜。此种结构安装方便，铺层效率高，同时能消除表面孔洞和缺陷。该类防雷击材料将表面胶膜和导电金属网结合为一体，将胶膜置于在复合材料结构外表面，累积的电荷即可通过导电金属网将传递到机身放电梢进行放电，从而防止雷击损伤。导电层主要有金属箔、机织金属网筛和金属网3类[11]。

4 聚合物基导电增强体复合材料

4.1 石墨烯复合材料

在航空航天领域，石墨烯作为制备无机/聚合物纳米复合材料的导电纳米材料，以其优异的导电性吸引了越来越多的关注。同时由于石墨烯的疏水性，此类复合材料具有突出的耐腐蚀性。Tullio Monetta等[12]将石墨烯纳米片与亲水性环氧树脂制成混合涂层，再将其涂于铝片上，通过测试该涂层的物理性质和电化学阻抗，发现其导电性、耐腐蚀性大大提高，且DSC测试和交叉切割试验表明，石墨烯不会影响固化过程或粘附性能。Yoshiyasu Hirano等[13]对一系列石墨烯/环氧薄板样品进行人工雷击实验，结果表明损伤增长由薄板的各向异性所决定，由雷击参数决定的脉冲波形表现出与损伤形式的密切联系，而样品大小和厚度的多样性几乎不能影响损伤大小。

4.2 碳纤维复合材料

Jihua Gou等[14]从工艺性出发，采用造纸法制备一种碳纳米纤维与镍纳米丝混杂增强复合材料，以树脂传递模塑方法，采取添加临时表面障碍物的方法防止注入的树脂破坏纸张表面。雷击试验表明，该材料的耐雷击性与其表面层的电性能正相关，其中碳纳米纸的导电性起着决定性的作用。此防护方法在有效降低复合材料的损伤面积和深度的同时，基本保持了复合材料结构的剩余强度。另外，针对碳纳米纸机械强度不高的问题，利用碳纳米纤维改性碳纤维制备多尺度增强体，即可使复合材料的贮能模量和导电性 均 有 所 提 高[15]。 Toshio Ogasawara等[16]基于模拟雷击实验结果和初步分析，得出CFRP沿厚度方向电传导是沿热分解路径，并由分层区域和损伤深度证实CFRP的热分解行为与之相符。

Yoshiyasu Hirano等[17]制备了一种新型碳纤维/聚苯胺复合材料，并经测试，该CF/PANI复合材料优异的导电性在没有任何雷击保护涂层（LSP）的前提下抑制了雷击损伤的发生。

4.3 碳纳米管复合材料

碳纳米管为树脂基体提供了重要的电气性能，使其从绝缘体改变为半导体[18]。Yamamoto等[19]通过将碳纤维上的原位生长碳纳米管与树脂进行热固融合制备了碳纳米体积分数为3%的复合材料，使得复合材料的导电率提高了6～8个数量级。Xiang Ma等[20]通过设计模型预测了碳纳米管/碳纤维/环氧复合材料的电气和机械性能，试验结果表明，通过优化纤维的微观结构，相比于分散碳纳米管环氧复合材料，使纤维体积分数2%的样品的厚度电导率大大提高。Li C等[21]的实验结果表明隧穿效应（电子从一个碳纳米管跃迁到另一个）对于碳纳米管增强复合材料的导电性起着重要作用，尤其是当碳纳米管的电流负载接近电渗流阈值时[22]。

4.4 金属纳米线填充复合材料

Luis Quiroga Cortes等[23]合成了填充银纳米线（AgNWs）的碳纤维/聚芳醚酮复合材料，经测定，层压板的外平面方向电导率为银纳米线体积分数的函数，AgNWs填充（～1.5 vol%）的复合材料比未填充复合材料的导电率至少高出3个数量级。浙江大学的颜光清[24]利用液相多元醇法合成了具有高选择性、高长径比和多样性的银纳米线材料，并将银纳米线掺杂到传统微米银填料中，再加入到一种双组分有机硅聚氨酯涂料中，实验结果表明能够有效地提高银粉的导电效率并制备出高性能的导电涂料，有望应用于飞机表面。

4.5 导电颗粒填充复合材料

Donghai Zhang等[25]将炭黑纳米颗粒（3 wt%）及二氯化铜掺入基体后测得：复合材料的导电率提高了5个数量级，横向拉伸强度提高了45.9%，层间断裂韧性可以提高12.7%。

5 聚合物基金属化纤维复合材料

5.1 镀镍碳纤维环氧复合材料

碳纤维表面化学镀镍可以显著提高碳纤维的表面性能，在赋予其金属的导电、导热和电磁性能同时，保持其高强质轻等优点。

程真真[26]采用正交实验法优化了碳纤维镀镍的镀液配方和工艺条件，根据正交优化结果对一系列化学镀过程的影响因素进行分析，得出最佳镀液配方和工艺条件，所得镀镍碳纤维的电阻率为0.5×10-5Ω·cm。对直径为7 μm的碳纤维进行化学镀镍，碳纤维表面的镀镍层厚度随着施镀时间增长而增加，电阻率降低，化学镀1 h后碳纤维直径增加到10.4 μm，电阻率从1.53×10-5Ω·m减少至4.40×10-6Ω·m[27]。

Divya K. Chakravarthi等[28]对镀镍单壁碳纳米管（Ni-SWNTs）填充的耐高温双马来酰亚胺/碳纤维复合材料的加工、材料优化和性能方面进行了研究，经研究分析，在纯化的SWNTs上镀镍可以提高其分散性，从而使得其在碳纤维织物表面均匀覆盖；增加4 wt%的Ni-SWNTs，复合材料的电阻性可以减小10%；Ni-SWNTs填充的复合材料相比于未填充的参考样品在模拟雷击实验中碳纤维拔出量有所减小。

5.2 镀银碳纤维环氧复合材料

银导电性能强、电阻低，用银对碳纤维表面进行改性可以制作优异的抗电击材料。侯伟等[29]在碳纤维表面直接化学镀银并简化工艺流程，用葡萄糖和酒石酸作为还原剂，考查碳纤维预处理及镀液等因素对镀层质量的影响，并对镀银碳纤维的导电性能进行了测试，结果表明将银氨溶液缓慢地加入到还原剂中再加入碳纤维可以防止银粒过快析出，得到了均匀致密、结合强度高的银镀层，沉积时间在20 min以内得到的镀银碳纤维的电阻率明显减小。刘延坤等[30]通过正交试验确定了碳纤维表面化学镀银的工艺条件及镀液配方，采用XRD、SEM等方法对镀银后碳纤维进行表面形貌分析，结果表明碳纤维表面得到均匀致密镀银层，碳纤维镀银后电阻 率 由3.099×10-5Ω·m降至1.730×10-6Ω·m。

胡健[31]利用化学镀银的方法，在碳纳米纤维表面进行银的沉积，制备出镀银碳纳米纤维复合材料，并利用四点探针法测试材料的导电性能，结果表明随着碳纳米纤维表面银包覆量的增加，材料的导电性能提高越大，电阻率越小。

6 导电高分子复合材料

后藤晃哉等[32]于2015年制成了首例新型抗雷击材料，研发出了可将雷电能量转换吸收的树脂，可有效减少雷击对航空、风电等机体的伤害。

另外，Andrzej Katunin等[33]开发了获得高导电聚苯胺/环氧树脂的合成方法，并通过介电矩阵中导电颗粒之间的电渗流数值模拟该杂化聚合物的含量，所进行的物理化学、机械和热测试结果表明，该材料具备作为飞机结构材料的稳定性，相比传统的碳纤维复合材料具有优异的综合性能。

7 展望

随着对飞行器要求的提升，复合材料在整体机身中所占的体积比例越来越高，不同组成、不同结构的复合材料所能承受的雷击电流不同，因此应该综合各种因素，选择最优设计以提高复合材料的抗雷击性能。目前对抗雷击复合材料的研究，大多从增强材料导电性出发，但对增强材料的铺层顺序及基体在抗雷击方面的贡献有待探索，这是未来研究的难点与重点，需要更多研究人员共同努力。

[1]吴志恩.飞机复合材料构件的防雷击保护[J].航空制造技术,2011,54(15):96-99.

[2]GagnéM,Therriault D.Lightning strike protection of composites[J].Progress in Aerospace Sciences,2014,64:1-16.

[3]Arevalo L,Cooray V.'The mesh method' in lightning protection standards-Revisited[J].Journal of Electrostatics,2010,68(4):311-314.

[4]Kawakami H,Feraboli P.Lightning strike damage resistance and tolerance of scarfrepaired mesh-protected carbon fiber composites[J].Composites Part A:Applied Science and Manufacturing,2011,42(9):1247-1262.

[5]纪朝辉,马倩倩,王志平,等.飞机复合材料雷击防护层设计与应用[J].宇航材料工艺,2011,41(5):50-54.

[6]Wang F S,Ji Y Y,Yu X S,et al.Ablation damage assessment of aircraft carbon fiber/epoxy composite and its protection structures suffered from lightning strike[J].Composite Structures,2016,145:226-241.

[7]Hu T,Wang J,Wang J L.Electromagnetic shielding properties of carbon fiber feltglass fiber felt based multilayer composites with different layer angle[J].Materials Letters,2015,153:20-23.

[8]汪海映,严婉祺,郭荣辉,等.芳纶织物化学镀镍及其导电性能研究[J].电子元件与材料,2014,33(4):9-12.

[9]雷刚,杨文彬,魏明,等.玻璃纤维表面化学镀Ni_P合金涂层的研究[J].功能材料,2008,39(7):1128-1130.

[10]梁科,张华东,秦文峰.碳纤维复合材料金属铜涂层的制备及其导电性能研究[J].玻璃钢/复合材料,2016,43(5):61-64.

[11]Lu Y,Tighzert L,Dole P,et al.Preparation and properties of starch thermoplastics modified with waterborne polyurethane from renewable resources[J].Polymer,2005,46(23):9863-9870.

[12]Monetta T,Acquesta A,Bellucci F.Graphene/Epoxy Coating as Multifunctional Material for Aircraft Structures[J].Aerospace,2015,2(3):423-434.

[13]Hirano Y,Katsumata S,Iwahori Y,et al.Artificial lightning testing on graphiteepoxy composite laminate[J].Composite:Part A,2010,41(10):1461-1470.

[14]Gou J,Tang Y,Liang F,et al.Carbon nanofiber paper for lightning strike protection of composite materials[J].Composites Part B:Engineering,2010,41(2):192-198.

[15]王健.碳纳米纤维改性碳纤维多尺度增强环氧复合材料的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.

[16]Ogasawara T,Hirano Y,Yoshimura A.Coupled thermal-electrical analysis for carbon fiber/epoxy composites exposed to simulated lightning current[J].Composites Part A:Applied Science and Manufacturing,2010,41(8):973-981.

[17]Hirano Y,Yokozeki T,Ishida Y,et al.Lightning damage suppression in a fiber-reinforced polymer with a polyaniline-based conductive thermoset matrix[J].Composite Science and Technology,2016,127:1-7.

[18]Cristina B A N,Ion D,Adriana S,et al.Nanocomposites as Advanced Materials for Aerospace Industry[J].Incas Bulletin,2012,4(4):57-72.

[19]Yamamoto N,Guzman de Villoria R,Wardle B L.Electrical and thermal property enhancement of fiber-reinforced polymer laminate composites through controlled implementation of multiwalled carbon nanotubes[J].Composites Science and Technology,2012,72(16):2009-2015.

[20]Ma X,Scarpa F,Peng H-X,et al.Design of a hybrid carbon fibre/carbon nanotube composite for enhanced lightning strike resistance[J].Aerospace Science and Technology,2015,47:367-377.

[21]Li C Y,Thostenson E T,Chou T W.Dominant role of tunneling resistance in the electrical conductivity of carbon nanotube-based composites[J].Applied Physics Letters,2007,91(22):2837.

[22]Lu W,Chou T-W,Thostenson E T.A threedimensional model of electrical percolation thresholds in carbon nanotube-based composites[J].Applied Physics Letters,2010,96(22):56.

[23]Cortes L Q,Racagel S,Lonjon A,et al.Electrically conductive carbon fiber/PEKK/silver nanowires multifunctional composites[J].Composites Science and Technology,2016,137:159-166.

[24]颜光清.银纳米线和网的制备及其应用[D].杭州:浙江大学,2011.

[25]Zhang D,Ye L,Deng S,et al.CF/EP composite laminates with carbon black and copper chloride for improved electrical conductivity and interlaminar fracture toughness[J].Composites Science and Technology,2012,72(3):412-420.[26]程真真.镀镍碳纤维的制备及其在磁场中取向的研究[D].大连:大连理工大学,2011.

[27]孙书杰.碳纤维表面化学镀的研究进展[J].材料导报,2014,28(3):42-46.

[28]Chakravarthi D K,Khabashesku V N,Vaidyanathan R,et al.Carbon Fiber-Bismaleimide Composites Filled with Nickel-Coated Single-Walled Carbon Nanotubes for Lightning-Strike Protection[J].Advanced Functional Materials,2011,21(13):2527-2533.

[29]侯伟,潘功配,关华,等.碳纤维表面化学镀银工艺研究[J].材料保护,2007,40(12):45-47.

[30]刘延坤,冯玉杰,高培源,等.碳纤维表面化学镀银工艺的研究[J].功能材料,2006,37:962-964.

[31]胡健.银/碳复合纳米纤维的制备及其导电性能的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.

[32]郑宁来.日本研发抗雷击碳纤维复合材料[J].合成纤维工业,2015,38(5):68.

[33]Katunin A,Krukiewicz K,Turczyn R,et al.Synthesis and characterization of the electrically conductive polymeric composite for lightning strike protection of aircraft structures[J].Composite Structures,2017,159:773-783.

Research progress on lightning strike protection for aircraft composite materials

JIANG Kai-yue, ZHANG Wei-dong, QIU Hua, QI Shu-hua
(School of Natural and Applied Sciences, Northwestern Polytechnic University, Xi'an, Shaanxi 710129, China)

The lightning strike protection is a key issue that has a significant impact on the aviation operational safety. In this paper, the multiple measures commonly used in the field of lightning protection and the research progress of new lightning strike protection methods with good development prospect were reviewed. And the possible future research directions were presented as well.

lightning strike protection; composite materials; conductive

TQ050.4+3

A

1001-5922（2017）11-0060-04

2017-03-28

姜恺悦（1995-），女，研究方向：高分子材料。E-mail：550746122@mail.nwpu.edu.cn。