碳纖維復(fù)合材料雷電防護(hù)性能研究

許明軒

摘 要：在飛機(jī)飛行過(guò)程中，雷電襲擊嚴(yán)重地威脅著飛行安全。目前，在飛機(jī)設(shè)計(jì)中大量選用了碳纖維復(fù)合材料，這種材料能夠有效地降低飛機(jī)重量，但是其導(dǎo)電性能比較差，在遭受雷電襲擊的過(guò)程中會(huì)對(duì)飛機(jī)造成非常嚴(yán)重的損傷。本文分析了火焰噴涂鋁防護(hù)和編織銅網(wǎng)防護(hù)這兩種防護(hù)方法在遭受雷電流時(shí)所產(chǎn)生的損傷情況，進(jìn)而研究提升碳纖維復(fù)合材料的雷電防護(hù)能力。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；雷電損傷；雷電防護(hù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TB332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）12-0059-01

目前，飛機(jī)在進(jìn)行材料選擇與設(shè)計(jì)過(guò)程中比較多地選用了碳纖維復(fù)合材料，但是在遇到雷電襲擊的情況下，雷電流會(huì)對(duì)碳纖維復(fù)合材料造成不同程度的損傷，必須加強(qiáng)對(duì)此種風(fēng)險(xiǎn)的充分研究與分析。

1 不同復(fù)合材料的雷電損傷分析

雷電的電壓最多可以達(dá)到200kA，高達(dá)上百萬(wàn)電伏，是飛機(jī)在飛行過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮的飛行隱患之一。為了提升飛機(jī)續(xù)航能力的提升，降低飛機(jī)的重量，目前在飛機(jī)制造中大量使用了復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料在耐腐蝕性、強(qiáng)度與比重方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但是導(dǎo)電性能比較差，在飛機(jī)的飛行過(guò)程中極易造成雷電損傷現(xiàn)象的發(fā)生，極易造成飛行事故的發(fā)生，因此應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)此的充分研究與分析[1]。

本文選取了火焰噴涂鋁防護(hù)與編織銅網(wǎng)防護(hù)這種兩種復(fù)合材料雷電防護(hù)方法進(jìn)行對(duì)比研究。對(duì)雷電反應(yīng)的效果實(shí)驗(yàn)，采用的實(shí)驗(yàn)方式是對(duì)復(fù)合材料運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)組合雷電流SAE ARP5412A標(biāo)準(zhǔn)波形A+B+C*分量進(jìn)行雷電流注入的實(shí)驗(yàn)方式，分析這兩種防護(hù)方式在雷電防護(hù)能力上的差異，并利用超聲波掃描的方式得到損傷數(shù)據(jù)，同時(shí)分析復(fù)合材料層壓板表面電阻對(duì)于雷電損傷所造成的影響。

在實(shí)驗(yàn)件安裝完成之后放置在絕緣臺(tái)架之后，分別對(duì)兩種方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)電流作用到實(shí)驗(yàn)件時(shí)，復(fù)合材料導(dǎo)電涂層的導(dǎo)電性能比復(fù)合材料基底本身要強(qiáng)，雷電首先在導(dǎo)電涂層的平面方向上進(jìn)行一定擴(kuò)散，在發(fā)熱的作用之下，造成表面導(dǎo)電層燒蝕現(xiàn)象的發(fā)生；當(dāng)表面導(dǎo)電層蒸發(fā)之后，雷電流會(huì)注入到碳纖維復(fù)合材料的基體之中，使得碳纖維復(fù)合材料的基體發(fā)生燒灼損傷。碳纖維復(fù)合材料在纖維方向上的導(dǎo)電率與厚度方向以及徑向方向上的導(dǎo)電率相比較強(qiáng)，因此導(dǎo)電率在傳導(dǎo)過(guò)程中是沿著纖維方向上進(jìn)行傳導(dǎo)的。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后運(yùn)用超聲波掃描實(shí)驗(yàn)件的損傷情況，可以發(fā)現(xiàn)：采用火焰噴涂鋁防護(hù)方式所造成的雷電損傷區(qū)域呈現(xiàn)近似圓形的特征，而采用編制銅網(wǎng)防護(hù)材料所造成的雷電損傷區(qū)域呈現(xiàn)近似菱形的特征。復(fù)合材料層壓板的表面燒灼屬于電弧迅速流過(guò)，是表面電阻發(fā)熱而產(chǎn)生的，隨著表面電阻的增大，電流熱效應(yīng)所產(chǎn)生的能量也比較大，從而出現(xiàn)比較大的損傷現(xiàn)象[2]。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析可以看到與火焰噴涂鋁防護(hù)方式相比采用編織銅網(wǎng)防護(hù)的方式所造成的雷電損傷高達(dá)29.3%。兩者在其他方面也具有同樣的防護(hù)效果，主要體現(xiàn)在深度破壞方面?？梢园l(fā)現(xiàn)，采用火焰噴涂鋁防護(hù)方式能夠取得更加理想的防護(hù)效果。

在碳纖維復(fù)合材料中采用同一種防護(hù)方式，隨著表面電阻的增強(qiáng)，其雷電損傷面積也隨之?dāng)U大。反之，如果碳纖維復(fù)合材料層壓板表面的電阻比較小，雷電所造成的損傷面積也就比較小，也就是具有比較好地雷電防護(hù)能力。

2 碳纖維復(fù)合材料雷電損傷情況的影響因素分析

雷電對(duì)于飛機(jī)所造成的損傷情況受到碳纖維復(fù)合材料本身以及當(dāng)時(shí)所處的環(huán)境的影響，主要包括了導(dǎo)電改性方式的影響，導(dǎo)電鋪層的影響，碳纖維復(fù)合材料厚度方向上導(dǎo)電率的影響以及電流峰值的影響等。下面，從這四個(gè)方面進(jìn)行分析。

2.1 導(dǎo)電改性方式的影響

在研究過(guò)程中首先選擇不同導(dǎo)電改性方式下T800/5228A碳纖維復(fù)合材料的層壓板，以充分研究其在不同導(dǎo)電改性方式下所產(chǎn)生的雷電損傷規(guī)律，同時(shí)在復(fù)合材料層壓板雷電損傷實(shí)驗(yàn)中應(yīng)當(dāng)確保是處于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的雷電流波形條件之下，對(duì)于不同防護(hù)方式所造成的實(shí)驗(yàn)器材的損傷情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而得出提升碳纖維復(fù)合材料雷電防護(hù)能力的有效方式。

在損傷面積的實(shí)驗(yàn)中可以看到，在雷電流注入之后采用表面一層鍍電膜的方式能夠取得比層間一層導(dǎo)電膜更加理想的防護(hù)效果。層間多加一層導(dǎo)電膜能夠取得比層間一層導(dǎo)電膜更加理想的防護(hù)效果，至少能夠減少一半以上的損傷。采用鋪導(dǎo)電膜的形式能夠獲得比較理想的防護(hù)效果。采用表層鋪導(dǎo)電膜能夠取得比層間鋪導(dǎo)電膜更好地防護(hù)效果，在層間進(jìn)行絕緣無(wú)紡布的操作方式對(duì)于雷電防護(hù)能力的提升并無(wú)明顯作用[3]。

在損傷的深度上，在導(dǎo)電傳導(dǎo)中，電流膜起著重要作用，包括對(duì)于損傷深度的影響，采用層間多加層導(dǎo)電膜的運(yùn)作方式能夠取得比較理想的導(dǎo)電效果，能夠提升碳纖維復(fù)合材料的雷電防護(hù)能力。采用層間加絕緣無(wú)紡布的防護(hù)方式在碳纖維復(fù)合材料的雷電防護(hù)能力的提升上所發(fā)揮的作用比較有限。

2.2 導(dǎo)電鋪層的影響

目前有限元仿真技術(shù)得到了快速地發(fā)展，運(yùn)用專(zhuān)業(yè)的仿真軟件能夠有效降低成本，同時(shí)得到比較理想的實(shí)驗(yàn)效果。

在鋪層的上表面中央輸入簡(jiǎn)化的雷電流模型，雷電流最高達(dá)到40ka，在仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后充分觀(guān)察復(fù)材板的損傷情況以及復(fù)材板的溫度，對(duì)采取了導(dǎo)電鋪層防護(hù)和沒(méi)有防護(hù)的復(fù)合材料所產(chǎn)生的損傷情況進(jìn)行對(duì)比分析，從而分析導(dǎo)電鋪層對(duì)于復(fù)合材料的雷電損傷所產(chǎn)生的反應(yīng)。鋁的沸點(diǎn)是2467度，當(dāng)電流注入到鋁層之后，因?yàn)殇X的沸點(diǎn)比較低，就造成了鋪鋁層大面積損傷現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)仿真結(jié)果，和沒(méi)有進(jìn)行防護(hù)作用的復(fù)合材料板導(dǎo)電鋪層相比，所產(chǎn)生的損傷面積比較小。導(dǎo)電鋪層的運(yùn)用能夠泄放部分的雷電流，同時(shí)導(dǎo)電鋪層的燒蝕能夠有效吸收雷電流熱效應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，所以導(dǎo)電鋪層的運(yùn)用能夠有效保護(hù)復(fù)合材料板，減少其損傷面積[4]。

2.3 碳纖維復(fù)合材料厚度方向上導(dǎo)電率的影響

碳纖維復(fù)合材料纖維方向上具有比較高的導(dǎo)電率，能夠進(jìn)行很好地導(dǎo)電，但是在厚度方向上，與纖維徑向方面所構(gòu)成的導(dǎo)電率比較小。因此在碳纖維復(fù)合材料雷電防護(hù)能力的提升中起著重要制約作用的因素就是碳纖維復(fù)合材料的厚度方向上的導(dǎo)電率。

在損傷面積上，碳纖維復(fù)合材料厚度方向的導(dǎo)電率逐漸增加的情況下，所造成的損傷面積也在逐漸降低，因此為了促進(jìn)碳纖維復(fù)合材料雷電防護(hù)能力的有效提升，可以采用增加導(dǎo)電率從而促進(jìn)碳纖維復(fù)合材料厚度方向上導(dǎo)電率提升的方向。

在損傷厚度上，隨著厚度方向上導(dǎo)電率的增加其造成的雷電損傷在逐漸降低，因此為了促進(jìn)碳纖維復(fù)合材料雷電防護(hù)能力的提升可以采用提高復(fù)合材料厚度方向上導(dǎo)電率的操作方式。

2.4 電流峰值的影響

雷電波形中的重要參數(shù)之一是電流峰值。在特定沖擊電流波形的作用下，隨著電荷量的增大，其峰值也隨著增大。這對(duì)于碳纖維復(fù)合材料雷電防護(hù)的提升具有重要的影響作用。從損傷面積情況來(lái)看，隨著電流波形峰值的增大，其損傷面積也隨著增大，損傷面積的增加幅度也在隨著增大。在損傷造成的深度方面，隨著波形峰值的增加，損傷深度也在隨著增加，當(dāng)處于4/20us簡(jiǎn)化雷電波形之下，雷電流的峰值與雷電所造成的深度呈現(xiàn)出線(xiàn)性的關(guān)系[5]。

3 結(jié)語(yǔ)

目前飛機(jī)在制造材料的選擇上大量使用了復(fù)合材料，其各方面優(yōu)勢(shì)比較明顯，但是與鋁制材料相比，碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)電性能比較差，隨著電流的擴(kuò)散會(huì)造成嚴(yán)重的損傷。采用火焰噴涂鋁防護(hù)和編織銅網(wǎng)防護(hù)的碳纖維復(fù)合材料相比能夠?qū)崿F(xiàn)更好的雷電防護(hù)能力。雷電損傷的發(fā)生過(guò)程與碳纖維復(fù)合材料本身以及雷電環(huán)境有一定的關(guān)系，應(yīng)當(dāng)采取有效措施提升雷電防護(hù)能力，保障飛行安全。

參考文獻(xiàn)

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