金屬網(wǎng)對航空復(fù)合材料雷擊損傷的防護(hù)

羅 立,張驍亞,楊文鋒

（中國民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307）

碳/環(huán)氧復(fù)合材料因具有高強(qiáng)度、高比模量、耐疲勞性和抗腐蝕性能等，被廣泛用于飛機(jī)材料[1]。然而與傳統(tǒng)的金屬材料相比，碳/環(huán)氧復(fù)合材料的導(dǎo)電性差，當(dāng)飛機(jī)被雷電流擊中時(shí)，無法形成良好的導(dǎo)電通道來及時(shí)導(dǎo)走雷電流，從而導(dǎo)致雷電流的能量積聚在復(fù)合材料表面并釋放到其內(nèi)部，造成嚴(yán)重?fù)p壞[2]。

雷擊對飛機(jī)的影響可分為兩類，其中直接作用是熱沖擊和復(fù)合材料的燃燒，而間接作用是對飛機(jī)電子設(shè)備的危害。研究復(fù)合材料的損傷機(jī)理是防雷的前提。針對復(fù)合材料的雷電破壞機(jī)理，Altalhi等[3]比較了 T700S / 2510 復(fù)合層壓板的雷擊和電流低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，電流低速?zèng)_擊下的復(fù)合層壓板比雷擊下的層壓板更容易損壞。Foster等[4]使用熱電有限元（FE）方法來模擬復(fù)合材料雷擊損傷，其中從熱效應(yīng)的角度將樹脂基損傷的分解規(guī)則應(yīng)用于復(fù)合材料。Suparta等[5]通過實(shí)驗(yàn)研究了雷電參數(shù)和試樣尺寸對復(fù)合材料層壓板損傷的影響，結(jié)果表明復(fù)合材料的損傷程度與雷電流大小呈正相關(guān)，試樣尺寸越小層壓板的內(nèi)部損傷越明顯。

由于雷擊電流很大，因此復(fù)合層壓板常用的保護(hù)方法是在表面鋪一層金屬網(wǎng)，以提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性，減少雷擊的危害。針對復(fù)合材料的雷電防護(hù)，Yin等[6]研究了在復(fù)合材料表面嵌入銅網(wǎng)的防雷技術(shù)，從抗雷擊強(qiáng)度和耐疲勞的角度研究挖補(bǔ)修復(fù)對復(fù)合結(jié)構(gòu)外皮的影響。Dhanya等[7]研究了銅網(wǎng)厚度和空域變化對防雷效果的影響，結(jié)果表明，銅層厚度的增加和孔面積百分比的減少將減小復(fù)合材料的雷擊傷害。Fu等[8]在復(fù)合層壓板的表面增加了銅網(wǎng)和玻璃/環(huán)氧樹脂層以防雷擊，結(jié)果表明，銅網(wǎng)能夠?qū)㈦姾裳杆賻щx雷擊區(qū)域。Li等[9]研究了在干燥和濕熱條件下玻璃/碳纖維編織混雜層壓板的雷擊響應(yīng)，結(jié)果表明，在干燥條件下雷電強(qiáng)度增加時(shí)雷電損傷會(huì)明顯增加，濕熱老化將進(jìn)一步加劇面內(nèi)和深度破壞的程度。

目前國內(nèi)外在復(fù)合材料雷電防護(hù)方面的研究主要針對金屬網(wǎng)保護(hù)下的復(fù)合材料雷擊損傷效果的驗(yàn)證，而對于金屬網(wǎng)的網(wǎng)格間距、金屬網(wǎng)材料種類等對防雷效果的影響研究較少。鑒于此，本工作以未保護(hù)的基準(zhǔn)復(fù)合材料和分別帶有銅網(wǎng)和鋁網(wǎng)保護(hù)的復(fù)合材料進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。分析未保護(hù)試樣雷電破壞傳播機(jī)理；通過ANSYS軟件建立復(fù)合材料層壓板及其帶金屬網(wǎng)的保護(hù)結(jié)構(gòu)的三維有限元模型；并通過實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證網(wǎng)眼間距與防雷效果以及金屬網(wǎng)質(zhì)量增加與防雷效果的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 雷電波形

根據(jù)SAE-ARP5412A標(biāo)準(zhǔn)，采用如圖1所示的適用于典型飛機(jī)結(jié)構(gòu)直接效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的雷電流波形A、B、C和D，其中A、B和D波形分別為雙指數(shù)電流波形，如式（1）所示[10]。

圖1 雙指數(shù)脈沖電流波形Fig.1 Double exponential pulse current waveform

式中：I0為電流常數(shù)；β1為波尾時(shí)間常數(shù)的倒數(shù)；β2為波前時(shí)間常數(shù)的倒數(shù)；t表示雷電作用時(shí)間。

雷電流分量通常為單向矩形波，電荷量為200 C，模擬雷電流的作用積分I和電荷量Q如式（2）所示：

式中，i表示所模擬的雷電流。

為了便于研究，按照標(biāo)準(zhǔn)GJB 2639—1996對飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了雷擊區(qū)域劃分，其中Ⅰ區(qū)表示遭受雷電流的初始附著和首次回?fù)?；Ⅱ區(qū)表示持續(xù)回?fù)魠^(qū)域；Ⅲ區(qū)表示雷電流的傳導(dǎo)[11]。另外考慮到雷電遲滯時(shí)間的影響，又將其劃分為ⅠA、ⅠB、ⅡA、ⅡB和Ⅲ區(qū)域，如表1所示，其中每個(gè)不同的區(qū)域?qū)?yīng)不同的雷電流波形組合[12]。

表1 雷電流波形組合Table 1 Lightning current waveform combinations

為了驗(yàn)證在不同雷電流環(huán)境下的雷擊效果，本次實(shí)驗(yàn)采用A、A + D和D三種雷電流波形，分別對應(yīng)ⅠA、ⅠB和ⅡB三種雷電區(qū)域加載，其電流波形如圖2所示，不同雷電區(qū)域的電流峰值如表2所示。

圖2 不同雷電區(qū)域?qū)嶒?yàn)波形 （a）ⅠA 區(qū)；（b）ⅠB 區(qū)；（c）ⅡB 區(qū)Fig.2 Experimental waveforms in different lightning regions （a）ⅠA area；（b）ⅠB area；（c）ⅡB area

表2 不同雷電區(qū)域電流波形參數(shù)Table 2 Current waveform parameters of different lightning regions

1.2 雷電防護(hù)金屬網(wǎng)模型構(gòu)建

雷電實(shí)驗(yàn)中使用的復(fù)合材料為T700 / 3234碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合層壓板，幾何尺寸為500 mm ×500 mm × 2 mm，層數(shù)為 16，每層的厚度為 0.125 mm，鋪層順序?yàn)?[–45/45/02/–45/90/45/0]s。在仿真模擬過程中，側(cè)面與底面電勢為0 V。頂面與側(cè)面熱傳遞采用第三類邊界條件，熱輻射率為0.9。復(fù)合材料底面溫度變化幅度不大，設(shè)定為絕熱，采用第二類邊界條件，熱流密度為0 W/m2，空氣溫度為25 ℃。

為了進(jìn)一步研究金屬網(wǎng)的防護(hù)效果，針對金屬網(wǎng)復(fù)合層壓板在不同網(wǎng)格間距下的燒蝕損傷特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。選取的網(wǎng)孔間距分別為2.5 mm、3.2 mm、4 mm、6 mm 和 8 mm，網(wǎng)孔厚度均為 0.2 mm。雷電電流峰值分別為 31.3 kA、88.4 kA 和 93.7 kA。通過ANSYS軟件比較和分析不同網(wǎng)格間距下金屬網(wǎng)對復(fù)合材料層板的保護(hù)效果。其中不帶保護(hù)層的復(fù)合層壓板的總單元數(shù)為40000，而帶金屬網(wǎng)保護(hù)的復(fù)合層板，當(dāng)網(wǎng)格間距為 2.5 mm、3.2 mm、4 mm、6 mm 和 8 mm 時(shí)，復(fù)合層壓板的總單元數(shù)分別為 91454、86213、63654、53546、36851。另外，選取SOLID 69六面體固體元件來模擬具有熱電耦合功能的復(fù)合材料層壓板[13-14]?？紤]到金屬網(wǎng)在受到雷擊后其溫度場和電場均發(fā)生變化，因此可將其簡化為LINK68多場非線性單元，從而便于進(jìn)行熱電耦合分析。為了控制金屬網(wǎng)的尺寸，需要設(shè)置實(shí)際的參數(shù)和橫截面積。同時(shí)，通過建立接觸對來實(shí)現(xiàn)線元與實(shí)體元之間的熱電傳輸，并通過ANSYS軟件中的相關(guān)方程計(jì)算熱電接觸參數(shù)。具有金屬網(wǎng)保護(hù)的復(fù)合材料層壓板的有限元模型如圖3所示，金屬網(wǎng)模型及其局部放大如圖4所示。

由于復(fù)合材料層壓板的層方向是通過ANSYS軟件中的局部坐標(biāo)系定義的，各向異性復(fù)合層壓板在雷電流的燒蝕作用下經(jīng)歷瞬態(tài)傳熱，因此需要設(shè)置所需的仿真參數(shù)?？紤]到IM600/133與T700/3234碳纖維及其體積分?jǐn)?shù)相近[15]，有限元模型中的邊界條件需要與實(shí)際實(shí)驗(yàn)的邊界條件相同，因此頂部和側(cè)面的熱傳導(dǎo)使用第三類邊界條件，而底部的熱傳導(dǎo)使用第二類邊界條件，并且邊界處指定的熱通量密度為0 W?m2。在給定的電、熱邊界條件下，復(fù)合材料層壓板受到作用于復(fù)合材料層壓板中心的雷擊電流作用，各參數(shù)設(shè)置如表3所示。

圖3 帶有金屬網(wǎng)保護(hù)的有限元模型Fig. 3 Finite element model with metal mesh protection

圖4 金屬網(wǎng)格模型及其局部放大Fig.4 Metal grid model and its partial enlargement

表3 碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合層壓板的熱和電材料性能Table 3 Thermal and electrical material properties of carbon fiber / epoxy composite laminates

1.3 單元?jiǎng)h除法

為了模擬復(fù)合材料層壓板和金屬網(wǎng)在雷電流作用下的燒蝕過程，通過ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語言對相關(guān)程序進(jìn)行編譯。在特定的時(shí)間步長下，首先根據(jù)邊界條件和雷電電流負(fù)載來計(jì)算瞬態(tài)溫度場。單元是否缺失取決于平均溫度T1和燒蝕溫度T2的結(jié)果。如果單元的平均溫度超過燒蝕溫度，則會(huì)在分析模型中刪除這些單元，否則將不會(huì)進(jìn)行任何更改。刪除燒蝕的單元后，新的邊界條件將應(yīng)用于單元邊界，同時(shí)在不同溫度范圍內(nèi)，未燒蝕的復(fù)合材料的熱電性能會(huì)降低，而其余單元和節(jié)點(diǎn)將重新編號以生成新的有限元模型，該模型將被作為下一步初始計(jì)算模型，最后重復(fù)生成新的計(jì)算模型，直到滿足所需時(shí)間為止。圖5為雷電燒蝕分析流程圖。

由于復(fù)合層壓板的整體導(dǎo)電性差，因此雷擊電流不能迅速引出，并且主要在雷電流與復(fù)合層壓板接觸時(shí)沿較大導(dǎo)電性的方向傳導(dǎo)。在轉(zhuǎn)移過程中，焦耳熱持續(xù)增加并導(dǎo)致碳纖維和樹脂基體的溫度逐漸升高。碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的樹脂基體的熱分解溫度通常在300~500 ℃之間，當(dāng)加熱速率大于 1000 ℃/ min 時(shí)，通常會(huì)增加 100~200 ℃。因此假定在雷電流作用下，基體樹脂的最終分解溫度為400 ℃，而樹脂基體熱分解后，雷電流將繼續(xù)沿碳纖維傳導(dǎo)，從而導(dǎo)致碳纖維的溫度迅速升高。當(dāng)溫度高于3000 ℃時(shí)，碳纖維的升華率增加，電導(dǎo)率顯著下降，因此復(fù)合材料的最終燒蝕溫度將由纖維的升華溫度決定。當(dāng)每層雷電流的傳輸都被中斷，溫度將不再升高，此時(shí)碳纖維的燒蝕中斷?？偟膩碚f，復(fù)合材料的防雷途徑就是將一種非導(dǎo)電材料轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N導(dǎo)電材料。

2 結(jié)果與討論

2.1 金屬網(wǎng)保護(hù)的有效性

通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得的無金屬網(wǎng)保護(hù)的復(fù)合層壓板溫度分布如圖6所示，當(dāng)分別承受33.1 kA、88.4 kA 和 93.7 kA 的電流峰值時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠很好地匹配，燒蝕面積和刪除的單元數(shù)均隨電流峰值的增加而增加。數(shù)值模擬的瞬態(tài)溫度分布表明，復(fù)合材料表面層的燒蝕模式主要沿纖維方向且對稱擴(kuò)展，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的破壞情況相吻合。因此由燒蝕面積和溫度瞬態(tài)分布的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果之間良好的一致性證明了有限元模型的正確性、有限元網(wǎng)格尺寸的合理性以及熱電耦合分析方法的有效性，即有限元方法可用于預(yù)測具有金屬網(wǎng)格保護(hù)的復(fù)合材料層板的雷電損傷程度。

圖5 雷電燒蝕分析流程圖Fig.5 Flow chart of lightning ablation analysis

圖6 不同電流峰值下無金屬網(wǎng)保護(hù)的復(fù)合層壓板的溫度分布Fig.6 Temperature distribution of composite laminates without metal mesh protection under different current peaks（a）T1/T2 = 10/350（31.3 kA）；（b）T1/T2 = 10/350（88.4 kA）；（c）T1/T2 = 10/350（93.7 kA）；（d）T1/T2 = 10/350（31.3 kA）；（e）T1/T2 = 10/350（88.4 kA）；（f）T1/ T2 = 10/350（93.7 kA）

當(dāng)雷電波形的電流峰值為31.3 kA、88.4 kA和93.7 kA時(shí)，研究具有金屬網(wǎng)保護(hù)的復(fù)合層壓板的雷電損害。圖7和圖8分別顯示了在網(wǎng)格間距為8 mm時(shí)，具有銅網(wǎng)和鋁網(wǎng)保護(hù)的復(fù)合層壓板的溫度分布?？梢钥闯?，隨著電流峰值的增加，復(fù)合層壓板及其金屬網(wǎng)的破損面積將增大，而在相同電流峰值下，具有銅網(wǎng)保護(hù)層的復(fù)合層壓板的損傷面積總是小于具有鋁網(wǎng)保護(hù)層的復(fù)合層壓板的損傷面積。

圖7 不同電流峰值下具有銅網(wǎng)保護(hù)的復(fù)合層壓板的溫度分布Fig.7 Temperature distribution of composite laminates with copper mesh protection under different current peaks （a）T1/T2 =10/350（31.3 kA）；（b）T1/T2 = 10/350（88.4 kA）；（c）T1/T2 = 10/350（93.7 kA）

圖8 不同電流峰值下具有鋁網(wǎng)保護(hù)的復(fù)合層壓板的溫度分布Fig.8 Temperature distribution of composite laminates with aluminum mesh protection at different current peaks （ a） T1/T2 =10/350（31.3 kA）；（b）T1/T2 = 10/350（88.4 kA）；（c）T1/T2 = 10/350（93.7 kA）

圖9 帶有銅網(wǎng)保護(hù)的復(fù)合層壓板的溫度分布局部放大Fig.9 Partially enlarged temperature distribution of the composite laminate with copper mesh protection

圖9為帶有銅網(wǎng)保護(hù)的復(fù)合層壓板的溫度分布局部放大圖。由圖9可以看出，復(fù)合層壓板的燒蝕方向主要為銅線的分布方向。雷電沿銅線散布并傳播，當(dāng)雷擊施加到模型的中心區(qū)域時(shí)，在傳輸過程中會(huì)產(chǎn)生焦耳熱。由于銅網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)在不同的方向上承受雷電流，因此節(jié)點(diǎn)的溫度高于銅線的溫度，并且節(jié)點(diǎn)易于燒蝕。因此，與銅網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接觸的復(fù)合材料層壓板的燒蝕損傷比周圍區(qū)域更嚴(yán)重，這導(dǎo)致燒蝕區(qū)域的不連續(xù)性。當(dāng)溫度在短時(shí)間內(nèi)迅速升高到臨界點(diǎn)時(shí)單元被刪除，此時(shí)金屬網(wǎng)上的電流傳輸被中斷。圖10還顯示了在相同的電流峰值（例如93.7 kA）下具有銅網(wǎng)和鋁網(wǎng)保護(hù)的復(fù)合層壓板的溫度分布的較大局部放大。由圖10可以看出，它們具有相同的損傷擴(kuò)展方向，且主要是沿著金屬線走向分布。銅網(wǎng)和鋁網(wǎng)的燒蝕破壞結(jié)果如圖11所示，顯然銅網(wǎng)的缺失單元數(shù)量少于鋁網(wǎng)，這證明了銅網(wǎng)保護(hù)的優(yōu)越性。

2.2 不同網(wǎng)格間距下金屬網(wǎng)防護(hù)效果

圖10 具有鋁網(wǎng)和銅網(wǎng)保護(hù)的復(fù)合層壓板的溫度分布的較大局部放大 （a）鋁網(wǎng)保護(hù)網(wǎng)；（b）銅網(wǎng)保護(hù)網(wǎng)Fig.10 A larger partial enlargement of temperature distribution of a composite laminate with aluminum mesh and copper mesh protection （a）aluminum mesh protection net；（b）copper mesh protection net

圖11 鋁網(wǎng)和銅網(wǎng)的燒蝕結(jié)果 （a）鋁網(wǎng)和銅網(wǎng)的燒蝕模型；（b）銅網(wǎng)燒蝕模型Fig.11 Ablation results of aluminum mesh and copper mesh （ a） ablation model of aluminum mesh mesh and copper mesh；（b）ablation model of copper mesh

為了驗(yàn)證不同網(wǎng)格間距下金屬網(wǎng)對復(fù)合層壓板的防雷效果，選取網(wǎng)格間距分別為2.5 mm、4 mm 和 6 mm 時(shí)，在電流峰值為 93.7 kA 情況下進(jìn)行雷擊實(shí)驗(yàn)。圖12為帶有銅網(wǎng)的復(fù)合層壓板的溫度分布。從圖12可看出，復(fù)合材料層壓板的燒蝕面積均隨著網(wǎng)孔間距的減小而減小。這是因?yàn)楫?dāng)網(wǎng)格間距變小時(shí)較密的銅網(wǎng)對雷電流的轉(zhuǎn)移效果更為顯著。

圖 13 為網(wǎng)格間距分別為 2.5 mm、4 mm 和 6 mm時(shí)，具有鋁網(wǎng)保護(hù)的復(fù)合層壓板的溫度分布。與圖12相比，在相同的網(wǎng)孔間距和電流峰值下，復(fù)合層壓板的損壞面積隨網(wǎng)孔間距的增加而增加，并且總是大于采用銅網(wǎng)防護(hù)的情況。出現(xiàn)這種情況，一方面是因?yàn)殂~的電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于鋁的電導(dǎo)率，當(dāng)將其加載到銅網(wǎng)中時(shí)，可以更快地散射和消散雷電流。另一方面，因?yàn)殂~的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和臨界溫度均高于鋁，使得銅的單元?jiǎng)h除閾值高于鋁，當(dāng)雷電溫度相同時(shí)，鋁比銅更早斷裂。

圖12 不同網(wǎng)格間距下銅網(wǎng)保護(hù)的復(fù)合層壓板的溫度分布Fig.12 Temperature distribution of composite laminates protected by copper mesh under different grid spacing （ a） 2.5 mm，T1/T2 = 10/350（93.7 kA）；（b）4 mm，T1/T2 = 10/350（93.7 kA）；（c）6 mm，T1/T2 = 10/350（93.7 kA）

圖13 不同網(wǎng)格間距下鋁網(wǎng)保護(hù)的復(fù)合層壓板的溫度分布Fig.13 Temperature distribution of composite laminates protected by aluminum mesh under different grid spacing （a）2.5 mm，T1/T2 = 10/350（93.7 kA）；（b）4 mm，T1/T2 = 10/350（93.7 kA）；（c）6 mm，T1/T2 = 10/350（93.7 kA）

2.3 金屬網(wǎng)的防護(hù)效果和質(zhì)量增加之間的關(guān)系

復(fù)合材料中增加金屬網(wǎng)防護(hù)層將不可避免地增加飛機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。因此在復(fù)合層壓板的防雷設(shè)計(jì)過程中必須考慮增加的防護(hù)材料質(zhì)量。鑒于此，比較分析金屬網(wǎng)的保護(hù)效果和質(zhì)量增加之間的關(guān)系。在相同的雷電流和不同的網(wǎng)格間距下，銅網(wǎng)和鋁網(wǎng)復(fù)合層壓板的質(zhì)量增加與燒蝕面積的關(guān)系如圖14所示。從圖14可以看出，具有網(wǎng)孔保護(hù)的復(fù)合材料層壓板的損傷面積隨網(wǎng)孔質(zhì)量增加而逐漸減小，銅網(wǎng)防護(hù)的損傷面積始終小于鋁網(wǎng)防護(hù)的損傷面積。當(dāng)網(wǎng)孔間距大于3.2 mm時(shí)，兩種金屬材料的燒蝕面積隨著網(wǎng)孔間距的減小而迅速減小。當(dāng)網(wǎng)格間距小于3.2 mm時(shí)，損傷面積將趨于平緩，這表明隨著網(wǎng)格間距的減小，雷電損傷面積并不總是呈現(xiàn)急劇下降的趨勢，在一定的網(wǎng)格間距范圍內(nèi)變化很小。圖15顯示了在相同雷電電流和不同網(wǎng)格間距情況下，具有銅網(wǎng)和鋁網(wǎng)的復(fù)合材料層壓板的質(zhì)量增加與最大損傷深度的關(guān)系。結(jié)果表明，隨著網(wǎng)格質(zhì)量逐漸增加，燒蝕深度曲線的斜率逐漸減小。因此通過綜合分析燒蝕面積和最大燒蝕深度的曲線特性，可知當(dāng)網(wǎng)格防護(hù)間距為3.2 mm時(shí)能夠得到最佳的防護(hù)效果。在網(wǎng)格間距為3.2 mm時(shí)，通過計(jì)算可以得到銅網(wǎng)防護(hù)與鋁網(wǎng)防護(hù)的定量比較，如表4所示。當(dāng)雷電流峰值為93.7 kA時(shí)，具有銅網(wǎng)保護(hù)的復(fù)合材料層壓板的燒蝕面積為 1008 mm2，最大燒蝕深度為 0.14 mm，質(zhì)量增加21.4 g；具有鋁網(wǎng)保護(hù)的復(fù)合材料層壓板的燒蝕面積為 1728 mm2，最大燒蝕深度為 0.16 mm，質(zhì)量增加6.45 g。計(jì)算結(jié)果表明，銅網(wǎng)防護(hù)相比鋁網(wǎng)防護(hù)復(fù)合材料層壓板燒蝕面積減少41.7%，最大燒蝕深度減少12.5%，但是銅網(wǎng)的質(zhì)量增加是鋁網(wǎng)的2.31倍。

圖14 金屬網(wǎng)質(zhì)量增加和燒蝕面積的關(guān)系（3.2 mm）Fig.14 Relationship between mass increase of metal mesh and ablation area（3.2 mm）

圖15 金屬網(wǎng)質(zhì)量增加和最大損傷深度的關(guān)系（3.2 mm）Fig.15 Relationship between mass increase of metal mesh and maximum damage depth（3.2 mm）

兩種金屬網(wǎng)質(zhì)量增加與燒蝕面積的關(guān)系如圖16所示，質(zhì)量增加與最大破壞深度的關(guān)系如圖17所示，其中考慮了三種情況下銅網(wǎng)和鋁網(wǎng)的間距變化的雷電流峰值分別為33.1 kA，88.4 kA和93.7 kA?？梢钥闯觯?dāng)網(wǎng)格間距相同時(shí)，銅網(wǎng)的增重大于鋁網(wǎng)的增重，而銅網(wǎng)的燒蝕深度和面積小于鋁網(wǎng)；當(dāng)燒蝕面積恒定時(shí)，具有銅網(wǎng)保護(hù)的復(fù)合層壓板的質(zhì)量增加大于具有鋁網(wǎng)保護(hù)的復(fù)合層壓板的質(zhì)量增加；當(dāng)質(zhì)量增加恒定時(shí)，具有鋁網(wǎng)保護(hù)的復(fù)合層壓板的損傷面積大于具有銅網(wǎng)保護(hù)的復(fù)合層壓板的損傷面積。因此基于質(zhì)量限制和飛機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)對不同雷擊區(qū)域的防護(hù)效果，需要合理選擇防護(hù)材料。

表4 網(wǎng)格間距為3.2 mm時(shí)金屬網(wǎng)格保護(hù)的復(fù)合層壓板的損傷量Table 4 Damage amount of composite laminate protected by metal grid when grid spacing is 3.2 mm

圖16 不同間距和電流峰值下質(zhì)量增加與燒蝕面積的關(guān)系Fig.16 Relationship between mass increase and ablation area at different pitches and current peaks

圖17 不同間距和電流峰值下金屬網(wǎng)質(zhì)量增加與最大損傷深度的關(guān)系Fig.17 Relationship between mass increase of metal mesh and maximum damage depth at different pitches and current peaks

3 結(jié)論

（1）與未防護(hù)的復(fù)合材料相比，增加銅網(wǎng)和鋁網(wǎng)對遭受雷擊的復(fù)合材料具有更好的防護(hù)效果。在相同的網(wǎng)格間距和雷電電流下，銅網(wǎng)復(fù)合層壓板的損傷面積和最大損傷深度明顯小于鋁網(wǎng)復(fù)合層壓板。

（2）雷電沿金屬線散布和傳播，在模型中心部位施加雷擊時(shí)，在傳輸過程中會(huì)產(chǎn)生焦耳熱。網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的溫度高于金屬線的溫度，并且更易于燒蝕。與金屬網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)接觸的復(fù)合材料層壓板的燒蝕損傷比周圍區(qū)域更嚴(yán)重，導(dǎo)致燒蝕區(qū)域的不連續(xù)性。

（3）隨著金屬網(wǎng)質(zhì)量的增加，損傷面積減少。當(dāng)質(zhì)量增加超過一定值時(shí)，復(fù)合層壓板的保護(hù)效果將降低。當(dāng)網(wǎng)格間距恒定時(shí)，銅網(wǎng)比鋁網(wǎng)增加的質(zhì)量更大且具有更好的保護(hù)效果。總的來說，需要根據(jù)質(zhì)量限制和飛機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)對不同雷電區(qū)域的防護(hù)效果，合理選擇網(wǎng)格間距。