碳纤维复合材料雷电防护性能研究

许明轩

摘 要：在飞机飞行过程中，雷电袭击严重地威胁着飞行安全。目前，在飞机设计中大量选用了碳纤维复合材料，这种材料能够有效地降低飞机重量，但是其导电性能比较差，在遭受雷电袭击的过程中会对飞机造成非常严重的损伤。本文分析了火焰喷涂铝防护和编织铜网防护这两种防护方法在遭受雷电流时所产生的损伤情况，进而研究提升碳纤维复合材料的雷电防护能力。

关键词：碳纤维复合材料；雷电损伤；雷电防护

中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）12-0059-01

目前，飞机在进行材料选择与设计过程中比较多地选用了碳纤维复合材料，但是在遇到雷电袭击的情况下，雷电流会对碳纤维复合材料造成不同程度的损伤，必须加强对此种风险的充分研究与分析。

1 不同复合材料的雷电损伤分析

雷电的电压最多可以达到200kA，高达上百万电伏，是飞机在飞行过程中需要重点考虑的飞行隐患之一。为了提升飞机续航能力的提升，降低飞机的重量，目前在飞机制造中大量使用了复合材料。碳纤维复合材料在耐腐蚀性、强度与比重方面具有显著的优势，但是导电性能比较差，在飞机的飞行过程中极易造成雷电损伤现象的发生，极易造成飞行事故的发生，因此应当加强对此的充分研究与分析[1]。

本文选取了火焰喷涂铝防护与编织铜网防护这种两种复合材料雷电防护方法进行对比研究。对雷电反应的效果实验，采用的实验方式是对复合材料运用标准组合雷电流SAE ARP5412A标准波形A+B+C*分量进行雷电流注入的实验方式，分析这两种防护方式在雷电防护能力上的差异，并利用超声波扫描的方式得到损伤数据，同时分析复合材料层压板表面电阻对于雷电损伤所造成的影响。

在实验件安装完成之后放置在绝缘台架之后，分别对两种方式进行实验。当电流作用到实验件时，复合材料导电涂层的导电性能比复合材料基底本身要强，雷电首先在导电涂层的平面方向上进行一定扩散，在发热的作用之下，造成表面导电层烧蚀现象的发生；当表面导电层蒸发之后，雷电流会注入到碳纤维复合材料的基体之中，使得碳纤维复合材料的基体发生烧灼损伤。碳纤维复合材料在纤维方向上的导电率与厚度方向以及径向方向上的导电率相比较强，因此导电率在传导过程中是沿着纤维方向上进行传导的。在实验结束之后运用超声波扫描实验件的损伤情况，可以发现：采用火焰喷涂铝防护方式所造成的雷电损伤区域呈现近似圆形的特征，而采用编制铜网防护材料所造成的雷电损伤区域呈现近似菱形的特征。复合材料层压板的表面烧灼属于电弧迅速流过，是表面电阻发热而产生的，随着表面电阻的增大，电流热效应所产生的能量也比较大，从而出现比较大的损伤现象[2]。

通过实验分析可以看到与火焰喷涂铝防护方式相比采用编织铜网防护的方式所造成的雷电损伤高达29.3%。两者在其他方面也具有同样的防护效果，主要体现在深度破坏方面。可以发现，采用火焰喷涂铝防护方式能够取得更加理想的防护效果。

在碳纤维复合材料中采用同一种防护方式，随着表面电阻的增强，其雷电损伤面积也随之扩大。反之，如果碳纤维复合材料层压板表面的电阻比较小，雷电所造成的损伤面积也就比较小，也就是具有比较好地雷电防护能力。

2 碳纤维复合材料雷电损伤情况的影响因素分析

雷电对于飞机所造成的损伤情况受到碳纤维复合材料本身以及当时所处的环境的影响，主要包括了导电改性方式的影响，导电铺层的影响，碳纤维复合材料厚度方向上导电率的影响以及电流峰值的影响等。下面，从这四个方面进行分析。

2.1 导电改性方式的影响

在研究过程中首先选择不同导电改性方式下T800/5228A碳纤维复合材料的层压板，以充分研究其在不同导电改性方式下所产生的雷电损伤规律，同时在复合材料层压板雷电损伤实验中应当确保是处于标准规定的雷電流波形条件之下，对于不同防护方式所造成的实验器材的损伤情况进行统计，进而得出提升碳纤维复合材料雷电防护能力的有效方式。

在损伤面积的实验中可以看到，在雷电流注入之后采用表面一层镀电膜的方式能够取得比层间一层导电膜更加理想的防护效果。层间多加一层导电膜能够取得比层间一层导电膜更加理想的防护效果，至少能够减少一半以上的损伤。采用铺导电膜的形式能够获得比较理想的防护效果。采用表层铺导电膜能够取得比层间铺导电膜更好地防护效果，在层间进行绝缘无纺布的操作方式对于雷电防护能力的提升并无明显作用[3]。

在损伤的深度上，在导电传导中，电流膜起着重要作用，包括对于损伤深度的影响，采用层间多加层导电膜的运作方式能够取得比较理想的导电效果，能够提升碳纤维复合材料的雷电防护能力。采用层间加绝缘无纺布的防护方式在碳纤维复合材料的雷电防护能力的提升上所发挥的作用比较有限。

2.2 导电铺层的影响

目前有限元仿真技术得到了快速地发展，运用专业的仿真软件能够有效降低成本，同时得到比较理想的实验效果。

在铺层的上表面中央输入简化的雷电流模型，雷电流最高达到40ka，在仿真实验结束之后充分观察复材板的损伤情况以及复材板的温度，对采取了导电铺层防护和没有防护的复合材料所产生的损伤情况进行对比分析，从而分析导电铺层对于复合材料的雷电损伤所产生的反应。铝的沸点是2467度，当电流注入到铝层之后，因为铝的沸点比较低，就造成了铺铝层大面积损伤现象的发生。根据仿真结果，和没有进行防护作用的复合材料板导电铺层相比，所产生的损伤面积比较小。导电铺层的运用能够泄放部分的雷电流，同时导电铺层的烧蚀能够有效吸收雷电流热效应所产生的热量，所以导电铺层的运用能够有效保护复合材料板，减少其损伤面积[4]。

2.3 碳纤维复合材料厚度方向上导电率的影响

碳纤维复合材料纤维方向上具有比较高的导电率，能够进行很好地导电，但是在厚度方向上，与纤维径向方面所构成的导电率比较小。因此在碳纤维复合材料雷电防护能力的提升中起着重要制约作用的因素就是碳纤维复合材料的厚度方向上的导电率。

在损伤面积上，碳纤维复合材料厚度方向的导电率逐渐增加的情况下，所造成的损伤面积也在逐渐降低，因此为了促进碳纤维复合材料雷电防护能力的有效提升，可以采用增加导电率从而促进碳纤维复合材料厚度方向上导电率提升的方向。

在损伤厚度上，随着厚度方向上导电率的增加其造成的雷电损伤在逐渐降低，因此为了促进碳纤维复合材料雷电防护能力的提升可以采用提高复合材料厚度方向上导电率的操作方式。

2.4 电流峰值的影响

雷电波形中的重要参数之一是电流峰值。在特定冲击电流波形的作用下，随着电荷量的增大，其峰值也随着增大。这对于碳纤维复合材料雷电防护的提升具有重要的影响作用。从损伤面积情况来看，随着电流波形峰值的增大，其损伤面积也随着增大，损伤面积的增加幅度也在随着增大。在损伤造成的深度方面，随着波形峰值的增加，损伤深度也在随着增加，当处于4/20us简化雷电波形之下，雷电流的峰值与雷电所造成的深度呈现出线性的关系[5]。

3 结语

目前飞机在制造材料的选择上大量使用了复合材料，其各方面优势比较明显，但是与铝制材料相比，碳纤维复合材料的导电性能比较差，随着电流的扩散会造成严重的损伤。采用火焰喷涂铝防护和编织铜网防护的碳纤维复合材料相比能够实现更好的雷电防护能力。雷电损伤的发生过程与碳纤维复合材料本身以及雷电环境有一定的关系，应当采取有效措施提升雷电防护能力，保障飞行安全。

参考文献

[1]王明广.飞机碳纤维复合材料层压板雷电损伤特性研究[D].合肥工业大学，2017.

[2]刘辉平.碳纤维复合材料雷电损伤特性研究[D].合肥工业大学，2016.

[3]胡好.三种飞机碳纤维复合材料层压板雷电损伤研究[D].合肥工业大学，2014.

[4]司晓亮，李志宝，刘辉平，等.碳纤维复合材料雷电损伤预测[J].高电压技术，2017，43（5）：1453-1459.

[5]黄来，李毅超，车红卫，等.编织碳纤维复合材料雷击损伤特性研究[J].玻璃钢/复合材料，2016，（10）：65-69.