- 頭條4種碳纖維航空復合材料的表面防護形式，哪種防雷擊能力更強？2021-08-23 作者：王建國 單飛 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語碳纖維樹脂基復合材料廣泛應用于飛機制造，需要進行必要的雷電防護。武漢大學電氣與自動化學院、國網成都供電公司的研究人員王建國、單飛、周蜜、樊亞東、蔡力，2020年《電工技術學報》增刊2上撰文，對表面全噴鋁、網格噴鋁、銅網全鋪和網格銅網四種表面防護形式的碳纖維復合材料及未進行表面防護的碳纖維復合材料開展了雷電流A分量直接效應雷擊試驗，測量了雷擊前后試樣表面電阻，并對各類防護形式的防雷擊效果進行了對比。
碳纖維增強聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP）復合材料具有強度高、耐腐蝕、耐疲勞等優良的性能，近年來在航空制造領域的使用越來越廣泛，特別是在飛機機翼、機身、整流罩等部位。與金屬材料相比，碳纖維復合材料導電性較差，又存在內部泄放路徑，遭遇雷擊后破壞嚴重。
據統計，飛機每飛行1000~10000h會遭遇一次雷擊，雷電對飛機的安全飛行構成極大威脅。對于大量使用復合材料的現代飛機，若不采取雷電防護措施，飛機結構遭受雷擊后將遭受不可逆轉的破壞，嚴重威脅飛機安全飛行，甚至可能造成安全事故。
國內外學者針對碳纖維復合材料的雷擊直接效應、雷電防護開展了相應的研究。日本宇宙航空研究開發機構Y. Hirano等對石墨/環氧樹脂復合材料層合板開展雷擊試驗，將復合材料的損傷形式分為纖維破壞、樹脂退化、內部分層等。法國航空航天實驗室L. Chemartin等發現焦耳熱和聲波沖擊產生的過壓是復合材料結構破壞的來源。
提高復合材料抗雷擊能力的方法有：設金屬保護層、金屬網、在復合材料制作過程中在其內部添加碳納米管等導電性物質等，提高復合材料整體電導率。華盛頓大學H. Kawakami等在復合材料表面鋪設銅網，研究雷擊防護能力。Gou Jinhua等研究一種在樹脂中植入鎳納米絲，將碳納米絲連在一起而構成的碳納米紙。D. K. Chakravarthi等在復合材料中加入鍍鎳碳納米管改善復合材料電導率，提高復合材料雷擊防護能力。
目前針對碳纖維復合材料不同金屬防護層的雷電流響應特性研究較少。為比較不同金屬防護層對碳纖維復合材料的防護能力及雷電流對其表面防護層的影響，武漢大學、成都供電公司的研究人員對全噴鋁碳纖維復合材料、網格噴鋁碳纖維復合材料、銅網全鋪碳纖維復合材料、網格銅網碳纖維復合材料試驗件開展了雷電流A分量直接效應雷擊試驗，測量了雷擊試驗前后試驗件的表面電阻，對比分析了四類防護形式的防雷擊能力，以及在雷擊試驗前后的性能差異。
圖1 試驗件示意圖
試驗結果表明，雷擊試驗前，四類防護方式的碳纖維復合材料六條邊表面電阻均具有對稱性，各邊表面電阻值均在20~40mΩ，其中網格噴鋁及網格銅網防護形式的電阻大于全噴鋁及銅網全鋪防護形式的電阻。
圖2 雷擊試驗示意圖
雷擊試驗后，四種防護形式的碳纖維復合材料表面電阻對稱性出現明顯變化，同時電阻阻值明顯增大。全噴鋁、銅網全鋪表面防護形式的表面電阻分別增大4.7倍和4.4倍，網格噴鋁及網格銅網的表面電阻分別增大0.9和1.5倍。
未進行防護的碳纖維樹脂基復合材料雷擊損傷嚴重，表現為纖維斷裂、樹脂汽化蒸發，四類防護層均具有良好的防雷擊能力，網格類防護形式防雷擊性能比全防護形式差，在防護層與下層纖維接觸位置的纖維出現輕微損傷。
圖3 雷擊試驗后損傷形貌
圖4 雷擊試驗后表面電阻
他們最后得出結論如下：
1）全噴鋁防護、銅網全鋪防護、網格噴鋁防護、網格銅網防護四類防護方式的六條邊表面電阻均具有對稱性。網格噴鋁及網格銅網防護形式的電阻大于全噴鋁及銅網全鋪。
2）未進行防護的碳纖維樹脂基復合材料雷擊損傷嚴重，表現為纖維斷裂、樹脂汽化蒸發。四類防護形式均對下層纖維起到了明顯保護，全噴鋁防護、銅網全鋪防護優于網格噴鋁、網格銅網防護。
3）雷擊后表面防護層受到破壞，表面電阻對稱性出現變化。全噴鋁、銅網全鋪的表面電阻變化大于網格噴鋁及網格銅網的變化。
以上研究成果發表在2020年《電工技術學報》增刊2上，論文標題為“碳纖維航空復合材料雷電流A分量作用后表面形貌及電阻變化”，作者為王建國、單飛 等。
