新型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)防雷擊膠膜性能驗證及運用

摘要：本文針對幾種飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)防雷擊方法進(jìn)行了分析和比較，并描述了一種新型防雷擊膠膜的功能及使用方法。將新型防雷擊膠膜鋪貼于典型構(gòu)件之上進(jìn)行雷擊測試，結(jié)果表明該新型防雷擊膠膜提高了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性能且夠滿足防雷擊要求。最后，介紹了該新型防雷擊膠膜在大型客機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)防雷擊設(shè)計上的運用。

關(guān)鍵詞：雷擊 復(fù)合材料結(jié)構(gòu) 防雷擊膠膜

中圖分類號：V22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）09（c）-0041-03

雷擊是一種普通的自然現(xiàn)象，是高密度正、負(fù)電荷集中在邊界上的放電現(xiàn)象。它具有高電壓、大電流、電流上升率高等特點。雷擊時電壓可高達(dá)2MV，峰值電流可達(dá)200kA，雷電以μs級的瞬間放出數(shù)十至數(shù)百kW·h的能量，可產(chǎn)生30000℃的高溫和10個以上大氣壓力。當(dāng)飛機(jī)穿越某一極性空間電荷集中區(qū)到達(dá)鄰近相反極性空間集中的邊界處或邊界內(nèi)，飛機(jī)就會遭到雷擊。據(jù)統(tǒng)計，1架飛機(jī)平均每3000飛行小時就有1次遭雷擊的機(jī)會，尤其是在多雷雨地區(qū)。飛機(jī)遭雷擊時，雷擊的高壓電會擊穿絕緣材料或局部結(jié)構(gòu)，雷擊時的大電流會使導(dǎo)電不連續(xù)的部位起火。材料被燒蝕造成結(jié)構(gòu)的性能大幅下降，甚至失效。對于結(jié)構(gòu)整體油箱區(qū)，雷擊甚至?xí)鹩拖渲鸨ā?/p>

隨著新型復(fù)合材料性能的不斷提高，復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的使用已逐步從整流罩、活動舵面等次級承力部件發(fā)展到機(jī)翼、尾翼、機(jī)身等主要承力部件。由于復(fù)合材料導(dǎo)電性能較金屬差，當(dāng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)遭受雷擊時，很難將高能量的電流傳導(dǎo)出去，必然導(dǎo)致大能量的聚集，導(dǎo)致破壞結(jié)構(gòu)從而影響飛機(jī)的安全性能，因此必須對飛機(jī)復(fù)合材料部件進(jìn)行有效的雷擊防護(hù)。

1 民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的防雷擊措施

根據(jù) FAA 適航通報AC20-53A 的規(guī)定，民用翼吊雙發(fā)大型客機(jī)機(jī)體遭雷擊區(qū)域一般分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ區(qū)。Ⅰ區(qū)為直接雷擊區(qū)，Ⅱ區(qū)為掃掠雷擊區(qū)，Ⅲ區(qū)是雷電間接影響區(qū)，即除Ⅰ、Ⅱ區(qū)以外的表面。由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)導(dǎo)電性能差，設(shè)計過程中必須考慮設(shè)置專用的雷電傳輸通道，防止結(jié)構(gòu)遭雷擊而損壞。目前常用的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)防雷擊措施有以下三種：

a） 在復(fù)合材料構(gòu)件的外表上鋪一層玻璃布過渡層，過渡層外鋪一層鋁絲網(wǎng)或銅絲網(wǎng)，一次固化或用膠粘劑將鋁或銅絲網(wǎng)粘到玻璃布上，在雷電附著區(qū)域結(jié)構(gòu)常采用此種方法。

b） 在復(fù)合材料構(gòu)件的外表上鋪一層玻璃布過渡層，用火焰或等離子噴涂一層鋁粉，再噴一層封孔劑，防止涂層被氧化和腐蝕，該形式多用于飛機(jī)活動翼面上。

c）在復(fù)合材料構(gòu)件表面等間距布置配置寬度25mm的鋁箔，此種方法多用于外形變化較大的復(fù)合材料構(gòu)件，如機(jī)頭前段的雷達(dá)整流罩等。

以上三種導(dǎo)電防護(hù)層的制備工藝、導(dǎo)電性能、結(jié)構(gòu)特點、飛機(jī)增重、修復(fù)難易程度、成本及適用性等方面各有以下優(yōu)缺點：

（1）鋁涂層的線電阻值與平鋪鋁箔比較接近，平鋪鋁箔網(wǎng)則相對較大。鋁涂層厚度增加其電阻值減小，導(dǎo)電性增強(qiáng)； 等間距鋁箔隨著間隙的增大，其電阻值亦隨之增大。

（2）在同等導(dǎo)電率情況下，鋁箔和鋁網(wǎng)的厚度明顯小于鋁涂層的厚度，鋁涂層質(zhì)量最大，鋁箔質(zhì)量較輕，鋁箔網(wǎng)的質(zhì)量最輕，具有重量優(yōu)勢。

（3）鋁網(wǎng)延展性好，可以容易地制成形狀復(fù)雜的曲面，能夠適應(yīng)外形較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，而鋁箔由于質(zhì)量太輕，鋪層過程中極易產(chǎn)生褶皺。

（4）對于位于雷擊附著點附近的復(fù)合材料部件，由于其遭受雷電壓擊穿的可能性和頻率較大，不僅要選擇導(dǎo)電性好的防護(hù)層，更要求其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高并且較易修復(fù)。鋁箔防護(hù)層一旦被擊穿則局部修復(fù)比較困難，鋁涂層在雷擊放電點附近被蒸發(fā)，其他區(qū)域則會出現(xiàn)斷裂。鋁網(wǎng)不存在以上情況，維修性上也具有一定優(yōu)勢。

（5）從結(jié)合強(qiáng)度上分析，鋁網(wǎng)在固化時玻璃纖維樹脂或膠可更好滲透至網(wǎng)眼中，鋁網(wǎng)能與復(fù)合材料基體更好地結(jié)合，使其結(jié)合強(qiáng)度高于鋁涂層與鋁箔防護(hù)層，對于結(jié)合強(qiáng)度要求較高的復(fù)合材料部件，應(yīng)選擇結(jié)合強(qiáng)度較高的鋁箔網(wǎng)防護(hù)層。

綜合以上諸多因素，鋁網(wǎng)防雷擊層具有厚度小、質(zhì)量輕、施工簡單、易修復(fù)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高以及能適應(yīng)大曲率外形零件的優(yōu)勢，因此目前該方法得以在各類型號中大量使用。

2 新型防雷擊復(fù)合膠膜原理及性能介紹

隨著材料技術(shù)及工藝的發(fā)展，出現(xiàn)了一種新型的防雷擊復(fù)合膠膜，與傳統(tǒng)復(fù)合材料雷擊防護(hù)材料不同，該新型防雷擊材料將表面膠膜和導(dǎo)電金屬網(wǎng)結(jié)合為一體，使用中將其鋪設(shè)在有防雷擊要求的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)外表面，通過導(dǎo)電金屬網(wǎng)將雷擊電流傳遞到機(jī)體放電部位即可達(dá)到雷擊防護(hù)的效果。

新型防雷擊膠膜由表面膠膜和導(dǎo)電層（金屬網(wǎng)）組成。表面膠膜為單位面積重量為0.03psf或面密度更大的粘合劑或填充膠膜；而導(dǎo)電層則為單位面積重量0.015～0.04psf的銅、鋁質(zhì)金屬網(wǎng)、金屬箔或金屬網(wǎng)篩，圖1為其組成示意。

在該新型防雷擊膠膜中，導(dǎo)電層代替了常規(guī)防雷擊材料中的火焰噴鋁和金屬網(wǎng)，導(dǎo)電層主要包括金屬箔、機(jī)織金屬網(wǎng)篩和金屬網(wǎng)三類。金屬網(wǎng)箔由整塊金屬箔經(jīng)過打孔和拉伸之后得到，而機(jī)織金屬網(wǎng)篩則通過金屬絲編織而成，金屬網(wǎng)是經(jīng)過撕裂和拉伸工序得到的。其形狀和網(wǎng)孔的參數(shù)是由所用的特定工具決定。

新型防雷擊膠膜鋪貼工藝較傳統(tǒng)防雷擊材料簡單，鋪貼時將帶有脫模襯層的新型防雷擊復(fù)合膠膜放在模具上，在貼模面一側(cè)將邊緣襯紙撕開，將復(fù)合膠膜粘到模具上，慢慢撕開襯紙，控制其著粘的部分與模具充分貼合即可。鋪貼過程中通常在防雷擊膠膜外使用真空袋輔助均勻壓實，從而保證其均勻的壓到構(gòu)件表面，并具有良好的表面質(zhì)量。

3 新型防雷擊復(fù)合膠膜雷擊測試

為驗證新型防雷擊膠膜的雷擊防護(hù)效果，選用德國漢高公司牌號為SynSkin

9837.1LS.0.30/0.16（鋁網(wǎng)/銅網(wǎng)）的膠膜鋪設(shè)于碳纖維層壓板結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行雷擊測試，評估該材料的雷擊防護(hù)效果。

測試中，每種類型復(fù)材結(jié)構(gòu)件3件（其中一件為完整金屬網(wǎng)鋪覆，一件搭接鋪覆，一件為對接鋪覆），每個測試件有2個放電點，分別根據(jù)SAE ARP5412標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)最嚴(yán)酷條件對應(yīng)的電流分量組合放電。試驗依次應(yīng)用SAE ARP5412中規(guī)定的電流分量A、B、C和D，但不必作為一個連續(xù)放電。其中1#點施加A、B、C和D電流分量，2#點施加B、C和D電流分量。

根據(jù)雷擊試驗后目視損傷以及試件的無損檢測結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1）試件經(jīng)雷擊后表面由于能量聚集，產(chǎn)生了一定的損傷及分層，但結(jié)構(gòu)件背面沒有任何損傷，該雷擊防護(hù)層能夠承受飛機(jī)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)的雷擊，能夠有效的保護(hù)機(jī)體復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。2）通過試驗對該新型雷擊防護(hù)層鋪貼工藝的驗證，證明其工藝較火焰噴涂鋁層及鋁箔鋪貼兩種防雷擊方式工藝簡單。3）不同金屬網(wǎng)的防雷擊復(fù)合膠膜均可以起到閃電防護(hù)作用，銅網(wǎng)在截面相同的情況下閃電防護(hù)效果更佳，鋁網(wǎng)則是重量較輕。4）通過不同鋪貼形式對比，整塊鋪貼金屬網(wǎng)的試驗件，只有雷電流入擊點和接地位置有損傷；搭接鋪貼金屬網(wǎng)或?qū)愉佡N金屬網(wǎng)的試驗件，除雷電流入擊點和接地位置有損傷外，金屬網(wǎng)的搭接、對接面也發(fā)現(xiàn)損傷，損傷沿金屬網(wǎng)搭接、對接處分布，對接處的損傷面積略大于搭接處，損傷為雷電流傳導(dǎo)所致。

雖然鋁網(wǎng)和銅網(wǎng)均能夠滿足雷擊保護(hù)要求，但考慮到腐蝕防護(hù)，在實際使用鋁網(wǎng)的過程中，需要在結(jié)構(gòu)件與金屬鋁網(wǎng)之間增加玻璃纖維層，必將導(dǎo)致重量增加，使得鋁網(wǎng)優(yōu)勢不明顯。

4 運用實例

目前在研的某大型客機(jī)中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件主要包括尾翼、后機(jī)身、后壓力框、中央翼盒段、機(jī)翼活動面等。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)均根據(jù)其所處閃電分區(qū)以及與機(jī)體其他金屬結(jié)構(gòu)位置關(guān)系設(shè)置合理的表面保護(hù)層和電搭接措施。經(jīng)過之前章節(jié)內(nèi)容中對三種防雷擊方式的對比分析，以及新型復(fù)合防雷擊膠膜雷擊測試比較，在該大型客機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)防雷擊設(shè)計中，復(fù)合材料尾翼、機(jī)翼活動面、小翼、機(jī)翼前后緣等部位選取了整塊鋪貼的新型防雷擊銅網(wǎng)膠膜作為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)雷擊防護(hù)層，如圖6所示。

5 結(jié)語

新型防雷擊膠膜能夠承受飛機(jī)Ⅰ、Ⅱ區(qū)域要求的雷擊且能夠有效的保護(hù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。此外，該產(chǎn)品還有以下優(yōu)點：1）在為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)零件提供雷擊防護(hù)的同時，由于新型防雷擊復(fù)合膠膜的表面膜與導(dǎo)電金屬網(wǎng)合二為一，減少了鋪貼工作量；零件表面質(zhì)量好，無需其他工序處理；金屬網(wǎng)保護(hù)程度高，不易在打磨過程中損壞。2）新型防雷擊復(fù)合膠膜使用過程中減少了設(shè)計與工藝路線，零件成形后表面質(zhì)量高，且修補(bǔ)工序中也可以保護(hù)部件的其它部分不被損壞。鑒于新型防雷擊復(fù)合膠膜高效的防雷擊以及簡單的工藝性和利于修理等諸多方面具有優(yōu)勢，該新型防雷擊材料在大型客機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)防雷擊設(shè)計中不失為一種優(yōu)秀的備選材料。

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