飛機(jī)抗雷擊復(fù)合材料的研究進(jìn)展

姜愷悅，張衛(wèi)東，邱 華，齊暑華

（西北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系，陜西 西安 710129）

飛機(jī)抗雷擊復(fù)合材料的研究進(jìn)展

姜愷悅，張衛(wèi)東，邱 華，齊暑華

（西北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系，陜西 西安 710129）

新型飛機(jī)的雷擊防護(hù)是對(duì)航空運(yùn)行安全具有重大影響的關(guān)鍵問(wèn)題。本文對(duì)當(dāng)前飛機(jī)雷擊防護(hù)領(lǐng)域常用的雷擊防護(hù)措施及具有良好發(fā)展前景的新型防雷擊方法的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并展望了未來(lái)的研究方向。

雷擊防護(hù)；復(fù)合材料；導(dǎo)電

目前，新型飛機(jī)均大量使用纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)用材。其在飛機(jī)上的廣泛應(yīng)用得益于高比強(qiáng)度和比模量，但相比于金屬材料，其導(dǎo)電性差的特點(diǎn)導(dǎo)致了抗雷擊性能差，而飛機(jī)是否能夠在雷電交加的天空中安全地飛行，抗雷擊性是最為重要的考慮因素之一。對(duì)于纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料，若缺乏足夠的保護(hù)措施，在遭受雷擊后，這些復(fù)合材料結(jié)構(gòu)往往會(huì)出現(xiàn)比傳統(tǒng)飛機(jī)中相應(yīng)金屬結(jié)構(gòu)更為顯著的損傷和破壞，除了變色、變形，還伴有纖維碳化、分層和樹(shù)脂分解等，成為飛行器難以忽視的安全威脅。目前的保護(hù)方法有以下幾種。

1 防雷金屬網(wǎng)

目前國(guó)內(nèi)外多數(shù)飛機(jī)復(fù)合材料多采用金屬網(wǎng)作為雷擊防護(hù)層，常見(jiàn)的金屬為銅和鋁。

覆蓋金屬網(wǎng)的方法是將鋁或銅網(wǎng)粘接在結(jié)構(gòu)表面或埋在外層下面。該金屬網(wǎng)代替了舊的金屬絲編織產(chǎn)品，絲束不會(huì)松開(kāi)，可層壓、噴涂和電鍍。格網(wǎng)粘貼到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上后，可承受200 000 A的電流（一般雷擊電流為100 000 A），修理時(shí)將其損壞部分剝掉，砂除表面，重新膠粘[1]。金屬網(wǎng)一般分為2種：編織網(wǎng)和斜拉網(wǎng)。其中，編織網(wǎng)仍然應(yīng)用于波音787飛機(jī)上作為抗雷擊結(jié)構(gòu)[2]。Liliana Arevalo和Cooray Vernon[3]進(jìn)行了雷擊模擬實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了不同抗雷擊級(jí)別對(duì)應(yīng)的金屬網(wǎng)格的尺寸大小。Kawakami等[4]選用T700/2510作為復(fù)合材料層合板，在其表面安裝銅網(wǎng)并進(jìn)行雷擊試驗(yàn)，其結(jié)果表明：損傷主要出現(xiàn)在雷擊附著點(diǎn)附近，表現(xiàn)為復(fù)合材料的劃痕、基體的燒蝕和銅網(wǎng)的熔融，銅網(wǎng)與復(fù)合材料出現(xiàn)了分層且損傷主要沿銅網(wǎng)絲方向，尤其集中在網(wǎng)絲交叉處。

2 金屬表面層纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

2.1 電弧或火焰噴涂法

電弧和火焰噴涂是指利用電弧或燃燒火焰做熱源，將金屬熔化后噴鍍到受防護(hù)表面或制造零件的模子里，最常用的金屬是鋁，厚度約0.1～0.2 mm。紀(jì)朝輝等[5]分別設(shè)計(jì)了復(fù)合材料表面火焰噴涂鋁涂層、粘接鋁箔網(wǎng)及粘接鋁箔3種雷擊防護(hù)層形式，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析得到3種防護(hù)層的導(dǎo)電性能特點(diǎn)，鋁涂層的線(xiàn)電阻值最小但質(zhì)量最大，根據(jù)其適用部位不同，現(xiàn)役機(jī)型大量采用了這3種導(dǎo)電層作為其復(fù)合材料部件表面的雷擊防護(hù)層。F.S.Wang等[6]分別制得未鍍金屬層、全鋁鍍層、局部鋁鍍層及在緊固件玻璃布上鍍鋁層這4種不同類(lèi)型的碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料層壓板，并對(duì)其進(jìn)行脈沖電流試驗(yàn)和耦合熱/電/結(jié)構(gòu)的三維有限元模型模擬，分析其抗雷擊燒蝕性能，結(jié)果表明纖維受損面積和最大損傷厚度隨電流峰值增大而增大，較厚的鋁層有更好的抗雷擊效果。

2.2 化學(xué)鍍法

Ni、Cu、Ag等金屬常采用化學(xué)鍍方法沉積到織物、纖維、合金上，其鍍層均勻，能提高產(chǎn)品的耐蝕性和使用壽命，還能提高耐磨、導(dǎo)電、電磁屏蔽等特性[7～9]。 梁科等[10]利用掃描電子顯微鏡和X射線(xiàn)衍射分析了銅鍍層的表面形貌與晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在化學(xué)鍍法中，增加硫酸銅濃度會(huì)使得沉積速率逐漸升高，鍍層電阻值逐漸降低，導(dǎo)電性增加。當(dāng)硫酸銅濃度為14 g/L時(shí)，電阻為19.8 mΩ/sq，具有良好的導(dǎo)電性。

3 防雷膠膜

金屬網(wǎng)一般與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一體成型，加工困難，不易維修，因此在金屬網(wǎng)的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了防雷膠膜。此種結(jié)構(gòu)安裝方便，鋪層效率高，同時(shí)能消除表面孔洞和缺陷。該類(lèi)防雷擊材料將表面膠膜和導(dǎo)電金屬網(wǎng)結(jié)合為一體，將膠膜置于在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)外表面，累積的電荷即可通過(guò)導(dǎo)電金屬網(wǎng)將傳遞到機(jī)身放電梢進(jìn)行放電，從而防止雷擊損傷。導(dǎo)電層主要有金屬箔、機(jī)織金屬網(wǎng)篩和金屬網(wǎng)3類(lèi)[11]。

4 聚合物基導(dǎo)電增強(qiáng)體復(fù)合材料

4.1 石墨烯復(fù)合材料

在航空航天領(lǐng)域，石墨烯作為制備無(wú)機(jī)/聚合物納米復(fù)合材料的導(dǎo)電納米材料，以其優(yōu)異的導(dǎo)電性吸引了越來(lái)越多的關(guān)注。同時(shí)由于石墨烯的疏水性，此類(lèi)復(fù)合材料具有突出的耐腐蝕性。Tullio Monetta等[12]將石墨烯納米片與親水性環(huán)氧樹(shù)脂制成混合涂層，再將其涂于鋁片上，通過(guò)測(cè)試該涂層的物理性質(zhì)和電化學(xué)阻抗，發(fā)現(xiàn)其導(dǎo)電性、耐腐蝕性大大提高，且DSC測(cè)試和交叉切割試驗(yàn)表明，石墨烯不會(huì)影響固化過(guò)程或粘附性能。Yoshiyasu Hirano等[13]對(duì)一系列石墨烯/環(huán)氧薄板樣品進(jìn)行人工雷擊實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明損傷增長(zhǎng)由薄板的各向異性所決定，由雷擊參數(shù)決定的脈沖波形表現(xiàn)出與損傷形式的密切聯(lián)系，而樣品大小和厚度的多樣性幾乎不能影響損傷大小。

4.2 碳纖維復(fù)合材料

Jihua Gou等[14]從工藝性出發(fā)，采用造紙法制備一種碳納米纖維與鎳納米絲混雜增強(qiáng)復(fù)合材料，以樹(shù)脂傳遞模塑方法，采取添加臨時(shí)表面障礙物的方法防止注入的樹(shù)脂破壞紙張表面。雷擊試驗(yàn)表明，該材料的耐雷擊性與其表面層的電性能正相關(guān)，其中碳納米紙的導(dǎo)電性起著決定性的作用。此防護(hù)方法在有效降低復(fù)合材料的損傷面積和深度的同時(shí)，基本保持了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度。另外，針對(duì)碳納米紙機(jī)械強(qiáng)度不高的問(wèn)題，利用碳納米纖維改性碳纖維制備多尺度增強(qiáng)體，即可使復(fù)合材料的貯能模量和導(dǎo)電性 均 有 所 提 高[15]。 Toshio Ogasawara等[16]基于模擬雷擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果和初步分析，得出CFRP沿厚度方向電傳導(dǎo)是沿?zé)岱纸饴窂?，并由分層區(qū)域和損傷深度證實(shí)CFRP的熱分解行為與之相符。

Yoshiyasu Hirano等[17]制備了一種新型碳纖維/聚苯胺復(fù)合材料，并經(jīng)測(cè)試，該CF/PANI復(fù)合材料優(yōu)異的導(dǎo)電性在沒(méi)有任何雷擊保護(hù)涂層（LSP）的前提下抑制了雷擊損傷的發(fā)生。

4.3 碳納米管復(fù)合材料

碳納米管為樹(shù)脂基體提供了重要的電氣性能，使其從絕緣體改變?yōu)榘雽?dǎo)體[18]。Yamamoto等[19]通過(guò)將碳纖維上的原位生長(zhǎng)碳納米管與樹(shù)脂進(jìn)行熱固融合制備了碳納米體積分?jǐn)?shù)為3%的復(fù)合材料，使得復(fù)合材料的導(dǎo)電率提高了6～8個(gè)數(shù)量級(jí)。Xiang Ma等[20]通過(guò)設(shè)計(jì)模型預(yù)測(cè)了碳納米管/碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的電氣和機(jī)械性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)優(yōu)化纖維的微觀結(jié)構(gòu)，相比于分散碳納米管環(huán)氧復(fù)合材料，使纖維體積分?jǐn)?shù)2%的樣品的厚度電導(dǎo)率大大提高。Li C等[21]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隧穿效應(yīng)（電子從一個(gè)碳納米管躍遷到另一個(gè)）對(duì)于碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料的導(dǎo)電性起著重要作用，尤其是當(dāng)碳納米管的電流負(fù)載接近電滲流閾值時(shí)[22]。

4.4 金屬納米線(xiàn)填充復(fù)合材料

Luis Quiroga Cortes等[23]合成了填充銀納米線(xiàn)（AgNWs）的碳纖維/聚芳醚酮復(fù)合材料，經(jīng)測(cè)定，層壓板的外平面方向電導(dǎo)率為銀納米線(xiàn)體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)，AgNWs填充（～1.5 vol%）的復(fù)合材料比未填充復(fù)合材料的導(dǎo)電率至少高出3個(gè)數(shù)量級(jí)。浙江大學(xué)的顏光清[24]利用液相多元醇法合成了具有高選擇性、高長(zhǎng)徑比和多樣性的銀納米線(xiàn)材料，并將銀納米線(xiàn)摻雜到傳統(tǒng)微米銀填料中，再加入到一種雙組分有機(jī)硅聚氨酯涂料中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明能夠有效地提高銀粉的導(dǎo)電效率并制備出高性能的導(dǎo)電涂料，有望應(yīng)用于飛機(jī)表面。

4.5 導(dǎo)電顆粒填充復(fù)合材料

Donghai Zhang等[25]將炭黑納米顆粒（3 wt%）及二氯化銅摻入基體后測(cè)得：復(fù)合材料的導(dǎo)電率提高了5個(gè)數(shù)量級(jí)，橫向拉伸強(qiáng)度提高了45.9%，層間斷裂韌性可以提高12.7%。

5 聚合物基金屬化纖維復(fù)合材料

5.1 鍍鎳碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料

碳纖維表面化學(xué)鍍鎳可以顯著提高碳纖維的表面性能，在賦予其金屬的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和電磁性能同時(shí)，保持其高強(qiáng)質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn)。

程真真[26]采用正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化了碳纖維鍍鎳的鍍液配方和工藝條件，根據(jù)正交優(yōu)化結(jié)果對(duì)一系列化學(xué)鍍過(guò)程的影響因素進(jìn)行分析，得出最佳鍍液配方和工藝條件，所得鍍鎳碳纖維的電阻率為0.5×10-5Ω·cm。對(duì)直徑為7 μm的碳纖維進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，碳纖維表面的鍍鎳層厚度隨著施鍍時(shí)間增長(zhǎng)而增加，電阻率降低，化學(xué)鍍1 h后碳纖維直徑增加到10.4 μm，電阻率從1.53×10-5Ω·m減少至4.40×10-6Ω·m[27]。

Divya K. Chakravarthi等[28]對(duì)鍍鎳單壁碳納米管（Ni-SWNTs）填充的耐高溫雙馬來(lái)酰亞胺/碳纖維復(fù)合材料的加工、材料優(yōu)化和性能方面進(jìn)行了研究，經(jīng)研究分析，在純化的SWNTs上鍍鎳可以提高其分散性，從而使得其在碳纖維織物表面均勻覆蓋；增加4 wt%的Ni-SWNTs，復(fù)合材料的電阻性可以減小10%；Ni-SWNTs填充的復(fù)合材料相比于未填充的參考樣品在模擬雷擊實(shí)驗(yàn)中碳纖維拔出量有所減小。

5.2 鍍銀碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料

銀導(dǎo)電性能強(qiáng)、電阻低，用銀對(duì)碳纖維表面進(jìn)行改性可以制作優(yōu)異的抗電擊材料。侯偉等[29]在碳纖維表面直接化學(xué)鍍銀并簡(jiǎn)化工藝流程，用葡萄糖和酒石酸作為還原劑，考查碳纖維預(yù)處理及鍍液等因素對(duì)鍍層質(zhì)量的影響，并對(duì)鍍銀碳纖維的導(dǎo)電性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明將銀氨溶液緩慢地加入到還原劑中再加入碳纖維可以防止銀粒過(guò)快析出，得到了均勻致密、結(jié)合強(qiáng)度高的銀鍍層，沉積時(shí)間在20 min以?xún)?nèi)得到的鍍銀碳纖維的電阻率明顯減小。劉延坤等[30]通過(guò)正交試驗(yàn)確定了碳纖維表面化學(xué)鍍銀的工藝條件及鍍液配方，采用XRD、SEM等方法對(duì)鍍銀后碳纖維進(jìn)行表面形貌分析，結(jié)果表明碳纖維表面得到均勻致密鍍銀層，碳纖維鍍銀后電阻 率 由3.099×10-5Ω·m降至1.730×10-6Ω·m。

胡健[31]利用化學(xué)鍍銀的方法，在碳納米纖維表面進(jìn)行銀的沉積，制備出鍍銀碳納米纖維復(fù)合材料，并利用四點(diǎn)探針?lè)y(cè)試材料的導(dǎo)電性能，結(jié)果表明隨著碳納米纖維表面銀包覆量的增加，材料的導(dǎo)電性能提高越大，電阻率越小。

6 導(dǎo)電高分子復(fù)合材料

后藤晃哉等[32]于2015年制成了首例新型抗雷擊材料，研發(fā)出了可將雷電能量轉(zhuǎn)換吸收的樹(shù)脂，可有效減少雷擊對(duì)航空、風(fēng)電等機(jī)體的傷害。

另外，Andrzej Katunin等[33]開(kāi)發(fā)了獲得高導(dǎo)電聚苯胺/環(huán)氧樹(shù)脂的合成方法，并通過(guò)介電矩陣中導(dǎo)電顆粒之間的電滲流數(shù)值模擬該雜化聚合物的含量，所進(jìn)行的物理化學(xué)、機(jī)械和熱測(cè)試結(jié)果表明，該材料具備作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料的穩(wěn)定性，相比傳統(tǒng)的碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的綜合性能。

7 展望

隨著對(duì)飛行器要求的提升，復(fù)合材料在整體機(jī)身中所占的體積比例越來(lái)越高，不同組成、不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料所能承受的雷擊電流不同，因此應(yīng)該綜合各種因素，選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)以提高復(fù)合材料的抗雷擊性能。目前對(duì)抗雷擊復(fù)合材料的研究，大多從增強(qiáng)材料導(dǎo)電性出發(fā)，但對(duì)增強(qiáng)材料的鋪層順序及基體在抗雷擊方面的貢獻(xiàn)有待探索，這是未來(lái)研究的難點(diǎn)與重點(diǎn)，需要更多研究人員共同努力。

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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

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