復(fù)合材料電搭接設(shè)計技術(shù)應(yīng)用研究

摘 要：本文詳細(xì)闡述了復(fù)合材料電搭接設(shè)計的兩種方式，通過比較傳統(tǒng)電搭接方式和改進(jìn)的電搭接方式，得出能夠滿足良好電搭接要求的設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;電搭接設(shè)計

一、前言

復(fù)合材料是一種由高強度、高剛度增強材料鋪設(shè)在基體中所構(gòu)成的新型材料，具有高比強度、高比模量、良好的抗疲勞性能和抗腐蝕性等一系列優(yōu)點。目前，先進(jìn)的復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用已經(jīng)引起了飛機設(shè)計上的重大技術(shù)變革。在波音新式的B787“夢幻”飛機上，復(fù)合材料的用量已經(jīng)超過機體重量的50%。隨著復(fù)合材料在飛機上用量的日益增加，其重要性也越來越突出。由于先進(jìn)復(fù)合材料的可設(shè)計性及其在提高飛機性能上的巨大潛力，復(fù)合材料在飛機上應(yīng)用的部位和用量的多少幾乎已經(jīng)成為衡量當(dāng)代飛機先進(jìn)性的一個重要標(biāo)志。

然而復(fù)合材料與傳統(tǒng)的金屬材料相比，在電性能方面存在很大的區(qū)別。例如，復(fù)合材料的導(dǎo)電率范圍廣泛：芳綸纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的導(dǎo)電率幾乎為零，而碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的導(dǎo)電率接近金屬材料。復(fù)合材料電性能的局限性直接影響著其在飛機上的擴大應(yīng)用。所以在研究先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用的同時，更應(yīng)注重對復(fù)合材料電性能的研究，在提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的電性能方面建立合適的設(shè)計方案。本文列舉了幾種復(fù)合材料電搭接設(shè)計技術(shù)在某直升機上的應(yīng)用，與金屬材料的電搭接進(jìn)行比較，分析了其可行性。

二、復(fù)合材料電搭接簡介

飛機的電搭接是指飛機的所有金屬件、組合件、部件相互之間以及機載設(shè)備、各個系統(tǒng)、附件和基本結(jié)構(gòu)之間形成專門、完整的電連接，以確保它們之間成為低電阻的、可靠的電同一體。電搭接的重要作用是防止飛機系統(tǒng)內(nèi)部、飛機系統(tǒng)之間產(chǎn)生電磁干擾。而對于雷達(dá)罩這樣最容易受雷電影響的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件來說，良好的電搭接是避免雷電擊穿的先決條件。同時，復(fù)合材料因為導(dǎo)電性能差，在結(jié)構(gòu)件的表面會沉積大量靜電。靜電形成的電磁場與機載設(shè)備耦合，會對飛機的效能產(chǎn)生影響，甚至損壞機載設(shè)備。所以對于如整流罩這樣的大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，良好的電搭接設(shè)計尤為重要。

復(fù)合材料因為導(dǎo)電性能差并且各向異性，搭接區(qū)域的電阻往往會很大。這不僅影響到電磁屏蔽效能，并且會減小各種工作電流。所以設(shè)法降低復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件和金屬件之間的搭接電阻意義重大。

三、復(fù)合材料電搭接設(shè)計應(yīng)用

常見的減小搭接電阻的方法有：

1）在結(jié)構(gòu)件表面噴涂導(dǎo)電金屬防護(hù)層;

2）對于自身電阻率低的金屬件，清理打磨接觸面，達(dá)到良好的電接觸。并在搭接區(qū)域外面涂抹防水密封劑，防止接頭金屬部分被氧化和腐蝕;

3）用機械連接代替膠結(jié)連接，如螺栓連接;

4）對于機械連接，適當(dāng)增加金屬緊固件量，增加導(dǎo)電截面面積;

5）電接觸面積越大，電阻越小。

綜合以上方法對復(fù)合材料的電搭接方式進(jìn)行設(shè)計，較簡便直接的電搭接方式為在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面噴涂導(dǎo)電介質(zhì)，實現(xiàn)表面導(dǎo)通。

（一）復(fù)合材料表面噴涂導(dǎo)電介質(zhì)

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)導(dǎo)電性能差，為滿足簡單的電搭接要求，在結(jié)構(gòu)表面噴涂一層導(dǎo)電介質(zhì)，如銀漆，以實現(xiàn)與其他結(jié)構(gòu)之間的電搭接。

（1）復(fù)合材料與金屬材料之間電搭接

a） 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與金屬結(jié)構(gòu)可直接接觸時，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面噴涂導(dǎo)電層，并在金屬結(jié)構(gòu)上與復(fù)材件接觸區(qū)域去掉表面防護(hù)漆，如圖1所示，實現(xiàn)接觸導(dǎo)電。

b） 當(dāng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與金屬結(jié)構(gòu)無法通過直接接觸導(dǎo)電時，可通過螺栓進(jìn)行導(dǎo)通。如圖2所示，螺栓帽與復(fù)合材料表面導(dǎo)電層接觸，螺母與金屬結(jié)構(gòu)直接接觸（金屬結(jié)構(gòu)與螺母接觸區(qū)域去漆處理），通過螺栓與螺母的連接實現(xiàn)電搭接。

（二）復(fù)合材料與復(fù)合材料之間電搭接

a） 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)之間直接接觸時，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面噴涂導(dǎo)電層，如圖3所示，實現(xiàn)接觸導(dǎo)電。

b） 當(dāng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)之間無法通過直接接觸導(dǎo)電時，可通過螺栓連接進(jìn)行導(dǎo)通，如圖4所示。螺栓帽與螺母分別與復(fù)合材料表面導(dǎo)電層接觸，通過螺栓與螺母的連接實現(xiàn)電搭接。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面噴涂導(dǎo)電介質(zhì)，該方案容易實施，操作簡便，只需在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型后噴涂導(dǎo)電漆即可。但是導(dǎo)電涂層材料成本較高，如銀漆，且容易氧化;噴涂操作差異較大，容易受噴涂質(zhì)量的影響，導(dǎo)電性能不穩(wěn)定;使用周期短，導(dǎo)電層容易脫落，造成電搭接失效。所以此種復(fù)合材料電搭接設(shè)計在使用范圍上有很大的局限性，在重要電搭接部位不宜使用，以免因電搭接失效造成事故。

通過整合分析改進(jìn)，利用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪層多的特點，將導(dǎo)電層從復(fù)合材料外表面移入復(fù)合材料內(nèi)部，提出新的電搭接設(shè)計方案——在復(fù)合材料鋪層間鋪設(shè)導(dǎo)電層。

（二）復(fù)合材料鋪層間鋪設(shè)導(dǎo)電層

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一般由4層以上纖維鋪層固化而成，為實現(xiàn)良好的導(dǎo)電性能，可在鋪層第二層鋪設(shè)一層導(dǎo)電層，如鋁網(wǎng)、銅網(wǎng)等，然后在需要進(jìn)行電搭接的區(qū)域局部去掉第一層鋪層的纖維材料，露出導(dǎo)電層，并可在局部適當(dāng)增加金屬片，以增加電接觸面積，達(dá)到良好的導(dǎo)電效果。

（1）復(fù)合材料與金屬材料之間電搭接

a）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與金屬結(jié)構(gòu)可直接接觸時，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪層第二層加鋪導(dǎo)電層，并在外側(cè)用導(dǎo)電膠粘接U型金屬片，首層纖維鋪層局部打磨，使金屬片與導(dǎo)電層接觸。在金屬結(jié)構(gòu)上與復(fù)材件接觸區(qū)域去掉表面防護(hù)漆，實現(xiàn)接觸導(dǎo)電，如圖5所示。

b）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與金屬結(jié)構(gòu)無法通過直接接觸導(dǎo)電時，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪層第二層加鋪導(dǎo)電層，并在安裝螺栓區(qū)域用導(dǎo)電膠粘接金屬片，首層纖維鋪層局部打磨，使金屬片與導(dǎo)電層接觸。在金屬結(jié)構(gòu)上與螺母接觸區(qū)域去掉表面防護(hù)漆，通過螺栓和螺母的連接實現(xiàn)接觸導(dǎo)電，如圖6所示。

（2）復(fù)合材料與復(fù)合材料之間電搭接

a）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)之間可直接接觸時，在上部復(fù)合材料使用粘接U型金屬片結(jié)構(gòu)，下部復(fù)材使用局部粘接條形金屬片結(jié)構(gòu)，使兩種復(fù)材結(jié)構(gòu)通過金屬片的接觸實現(xiàn)電搭接，如圖7所示。

b）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)之間無法通過直接接觸導(dǎo)電時，可在上部復(fù)合材料結(jié)構(gòu)安裝螺栓一側(cè)粘接金屬片，下部復(fù)合材料結(jié)構(gòu)安裝螺母一側(cè)粘接金屬片，兩種復(fù)材結(jié)構(gòu)成對稱形式安裝，如圖8所示，通過螺栓與螺母的連接實現(xiàn)接觸導(dǎo)電。

四、總結(jié)

通過對傳統(tǒng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)電搭接設(shè)計的改進(jìn)，將導(dǎo)電層（如銅網(wǎng)等）鋪設(shè)在復(fù)合材料鋪層內(nèi)部，避免了導(dǎo)電層的氧化、脫落等不穩(wěn)定因素的影響，并在局部搭接區(qū)域粘接金屬片，增大導(dǎo)電面積，保證良好的導(dǎo)電效果。該方案實施過程較為復(fù)雜，需要將銅網(wǎng)等導(dǎo)電層按照適當(dāng)?shù)匿亴禹樞蚺c纖維鋪層一起鋪設(shè)與固化，同時固化過程中需保證粘接金屬片位置正確無偏移。但是此種設(shè)計方案導(dǎo)電性能穩(wěn)定，且與噴涂銀漆相比成本較低，使用周期較長，可廣泛用于防雷擊、防靜電的復(fù)材結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

[1]臧家左，石鑫，雷虹.飛機復(fù)合材料搭接結(jié)構(gòu)導(dǎo)電性研究[J].安全與電磁兼容，2012（4）：67-69.

[2]中航工業(yè)第三O一研究所.HB 7695-2001 軍用飛機復(fù)合材料電搭接技術(shù)要求[S].北京：國防工業(yè)出版社，2001.

[3]王天順.復(fù)合材料電搭接分析[J]. 飛機設(shè)計， 2001， （3）：55-60.

作者簡介：

王佼（1986-）女，漢族，河北省張家口市，研究方向：復(fù)合材料，機械工程。