碳纖維復(fù)合材料基體改性/銅網(wǎng)組合雷擊防護(hù)性能的研究

肖堯 張獻(xiàn)逢 董俊 劉曉山 梁赟

（空軍工程大學(xué)航空機(jī)務(wù)士官學(xué)校，信陽(yáng) 464000）

文摘 傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合材料（CFRP）樹(shù)脂基體導(dǎo)電性差易遭受雷擊損傷，本文使用石墨烯-鍍鎳碳纖維粉作為導(dǎo)電填料，對(duì)樹(shù)脂基體進(jìn)行電導(dǎo)率改性，并在表面鋪設(shè)銅網(wǎng)，進(jìn)行模擬雷電流沖擊試驗(yàn)，檢驗(yàn)基體改性/銅網(wǎng)組合雷擊防護(hù)效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，樹(shù)脂基體改性后CFRP 層壓板在0°、90°纖維方向及厚度方向電導(dǎo)率分別為1.1571×104、1.0871×104、204.2 S/m，分別提高1.54 倍、1.16 倍、433.47 倍。200 kA 模擬雷電流A 波沖擊下，無(wú)防護(hù)試件雷擊附著后明火燃燒，次生效應(yīng)持續(xù)，而單一銅網(wǎng)防護(hù)和組合防護(hù)則能抑制次生效應(yīng)；無(wú)防護(hù)表面最大損傷直徑14.62 cm，此能量下銅網(wǎng)被擊穿，單一銅網(wǎng)防護(hù)表面最大損傷直徑19.05 cm，而組合防護(hù)表面最大損傷直徑8.93 cm，下降53.12%；相比無(wú)防護(hù)試件，單一銅網(wǎng)和組合防護(hù)內(nèi)部損傷面積分別下降66.2%和96.7%。單一銅網(wǎng)擊穿后，樹(shù)脂燒蝕后產(chǎn)生汽化反沖，增大損傷銅網(wǎng)脫落面積；組合防護(hù)銅網(wǎng)擊穿后，改性樹(shù)脂迅速導(dǎo)走電流，減小銅網(wǎng)脫落和內(nèi)部燒蝕面積。

0 引言

碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料（CFRP）憑借其優(yōu)異的力學(xué)性能、抗腐蝕性和可設(shè)計(jì)性在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上得到了廣泛應(yīng)用，但是樹(shù)脂基體導(dǎo)電性差，易在雷電流作用下產(chǎn)生大量阻性熱，造成嚴(yán)重?zé)g損傷甚至產(chǎn)生局部爆炸。隨CFRP 在飛機(jī)上應(yīng)用比例逐步上升，且其應(yīng)用逐步從次承力結(jié)構(gòu)向主承力結(jié)構(gòu)過(guò)渡，使得其雷擊損傷防護(hù)愈發(fā)重要。

CFRP 雷擊損傷防護(hù)核心就是將附著的雷電流及時(shí)導(dǎo)流，降低焦耳熱的積聚。傳統(tǒng)的防雷擊措施是在CFRP 表面粘貼金屬防護(hù)網(wǎng)、導(dǎo)流條等高電導(dǎo)率材料，而現(xiàn)在新型的防雷擊理念則是對(duì)絕緣的樹(shù)脂基體進(jìn)行電導(dǎo)率改性，從根源上解決雷電流傳導(dǎo)問(wèn)題，降低雷擊損傷。GUO YUN［1］對(duì)金屬網(wǎng)防護(hù)的CFRP 層合板進(jìn)行雷擊試驗(yàn)，并利用菱形網(wǎng)格使防護(hù)網(wǎng)的導(dǎo)電性呈現(xiàn)出各向異性特征，結(jié)果表明銅網(wǎng)和鋁網(wǎng)都具有較好的防護(hù)效果，且導(dǎo)電各向異性對(duì)防護(hù)效果具有影響。WANG［2］等發(fā)現(xiàn)銅網(wǎng)防護(hù)效果優(yōu)于鋁網(wǎng)防護(hù)，網(wǎng)格間距在3.2 mm 時(shí)其防護(hù)效果較佳，網(wǎng)格間距減小到一定程度時(shí)，繼續(xù)減少，其防護(hù)效果增加趨勢(shì)減緩。作者［3］研究了銅網(wǎng)防護(hù)CFRP雷電流直接效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)不同厚度的銅網(wǎng)能夠承受的最大雷擊強(qiáng)度存在一個(gè)門(mén)檻值，該門(mén)檻值可用作用積分表示，當(dāng)超過(guò)門(mén)檻值CFRP 則會(huì)出現(xiàn)雷擊損傷；0.25 mm 厚銅網(wǎng)，其對(duì)應(yīng)作用積分門(mén)檻值約 85 218 A2·s。B.ZHANG［4］等考慮到銅鋁網(wǎng)箔易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，使用石墨烯和摻銦氧化錫（ITO）基納米復(fù)合材料作為保護(hù)涂層進(jìn)行替代，試驗(yàn)驗(yàn)證了其導(dǎo)電性能和抗腐蝕性。JINHUA HAN［5］則通過(guò)添加碳納米管紙制備出不同厚度的導(dǎo)電巴基紙，附著于CFRP 層合板表面，發(fā)現(xiàn)其能夠防雷擊，但是絕緣的黏結(jié)劑層則不利于電流傳導(dǎo)。RAIMONDO、GUADANO［6-7］等通過(guò)含石墨烯及籠型聚倍半硅氧烷（POSS）的填料對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂阻燃性和電導(dǎo)性改性提高，減弱了高溫樹(shù)脂分解，同時(shí)在納米尺度上觀察到了石墨烯導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成，但尚未進(jìn)行雷擊試驗(yàn)驗(yàn)證。作者團(tuán)隊(duì)［8］前期將銀粉和少量碳納米管作為導(dǎo)電填料，對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行了電導(dǎo)率改性，使得電導(dǎo)率達(dá)到105S/m，并模擬了峰值60 kA的D波雷電流沖擊，防護(hù)效果明顯。

文獻(xiàn)［9-13］研究表明，石墨烯［14］（GNPs）比表面積大，對(duì)改性樹(shù)脂的增稠效應(yīng)十分顯著［15］；而鍍鎳碳纖維粉顆粒較大，相對(duì)易于分散［16］，這兩自身電導(dǎo)率很高，作為導(dǎo)電填料，分散后能夠在樹(shù)脂基體中形成導(dǎo)電網(wǎng)格，同時(shí)相比于用銀粉作為導(dǎo)電填料，石墨烯和鍍鎳碳纖維粉的密度更低。金屬網(wǎng)電導(dǎo)率高，表面單層一次性防護(hù)；樹(shù)脂基體電導(dǎo)率改性，整體性多層防護(hù)。高能量雷電沖擊下，銅網(wǎng)擊穿失效，而基體改性防護(hù)損傷深度太深，因此本文綜合兩者優(yōu)點(diǎn)，對(duì)CFRP 進(jìn)行樹(shù)脂基體改性與表面銅網(wǎng)聯(lián)合防護(hù)，檢驗(yàn)其防雷擊性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 基體改性原料

基體改性所用原料包括：石墨烯粉、鍍鎳碳纖維粉、中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂、無(wú)水乙醇。其中，石墨烯粉選用ZS-001 型，電導(dǎo)率1.3×105S/m，粒徑（D50）4～7 μm，堆積密度0.01～0.02 g/mL，單層率＞80%，比表面積50～200 m2/g；鍍鎳碳纖維粉選用ZS-3012 型，電導(dǎo)率1.4×104S/m，粒徑（D50）8～12 μm，堆積密度0.1 g/mL，熱導(dǎo)率680 W/（m·K）；中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂選用AED-S1000型，無(wú)水乙醇選擇分析純。

1.2 導(dǎo)電樹(shù)脂漿料制備

5組不同配方改性漿料的導(dǎo)電填料的占比如表1所示。采用超聲分散和機(jī)械攪拌結(jié)合的方法，對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行改性［17-18］。使用超聲分散儀器（WL-5L）、雙行星攪拌機(jī)（S-260）、三輥研磨機(jī)（BT-50L）將原料充分分散，最后用真空烘箱（D2F-6020AB）提純。

表1 不同配方導(dǎo)電填料占比Tab.1 Proportion of conductive fillers with different formulations

1.3 改性層壓板電導(dǎo)率測(cè)試

5組改性樹(shù)脂漿料黏度依次增加，按照碳纖維與樹(shù)脂60%∶40%的比例，將未改性和改性樹(shù)脂漿料與T300 碳纖維編織布（HFW200P）做成預(yù)浸料，使用熱壓罐加溫加壓固化（120 ℃、-80 kPa），得到不同改性程度的編織層壓板，按復(fù)合材料層壓板電導(dǎo)率測(cè)試方法［18］測(cè)量0°、90°纖維方向及厚度方向的電導(dǎo)率。

1.4 雷擊試件與設(shè)備

依據(jù)ASTM D7137 標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)3 種防護(hù)方式層合板：無(wú)防護(hù)、銅網(wǎng)防護(hù)、基體改性/銅網(wǎng)組合防護(hù)。針對(duì)傳統(tǒng)編織銅網(wǎng)存在搭接電阻的缺陷，采用防雷專用銅網(wǎng)（ABEMM-Cu195-1000），該型銅網(wǎng)是由銅片經(jīng)過(guò)切孔、拉伸等技術(shù)一次成型［19］，銅絲之間不存在接觸電阻和接觸熱阻，同時(shí)對(duì)構(gòu)件氣動(dòng)外形的影響也更小，如圖1所示。

圖1 防雷擊專用銅網(wǎng)Fig.1 Special copper wire mesh for lightning protection

用平紋編織碳纖維和樹(shù)脂做成預(yù)浸料，利用熱壓罐成型技術(shù)進(jìn)行固化，得到編織復(fù)材層壓板試驗(yàn)件，平紋編織夾角90°，共12 層，每層厚度0.2 mm，試件尺寸為300 mm×300 mm×2.4 mm。

試驗(yàn)設(shè)備采用全自動(dòng)沖擊電流測(cè)試系統(tǒng)（LCG-200S型），最大可產(chǎn)生220 kA模擬雷電流A分量（圖2）。

圖2 沖擊電流發(fā)生器Fig.2 Impulse current generator

由于雷擊能量超過(guò)200 kA，需要搭建專用夾具，使用2 塊銅制長(zhǎng)條托舉試件下表面，使用4 塊鋼制長(zhǎng)板壓于試件上方，鋼條、銅條均與地線相連，試件與地面間使用陶瓷絕緣子絕緣支撐，如圖3所示。

圖3 專用絕緣夾具Fig.3 Special insulation fixture

1.5 雷擊試驗(yàn)方案

根據(jù)SAE ARP—5412 標(biāo)準(zhǔn)，用于雷電流直接效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的波形分為震蕩波和單向波，二者等效，當(dāng)電流峰值均達(dá)到200 kA（±10%），上升時(shí)間T1小于50 μs，作用積分均達(dá)到2 MA2s（±20%），衰減至1%峰值電流的時(shí)間小于500 μs，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)雷電流A 分量要求。實(shí)驗(yàn)中采用震蕩波形A 波，對(duì)無(wú)防護(hù)、銅網(wǎng)防護(hù)、組合防護(hù)3件復(fù)合材料層壓板進(jìn)行雷擊試驗(yàn)。參數(shù)如表2所示。

表2 雷電流直接效應(yīng)實(shí)驗(yàn)方案Tab.2 Lightning current direct effect test program

2 結(jié)果與分析

2.1 基體改性配方優(yōu)選

0°、90°及厚度方向的電導(dǎo)率分別標(biāo)為σ1、σ2、σ3，各配方層壓板電導(dǎo)率實(shí)測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 不同配比的基體改性復(fù)合材料層合板平均電導(dǎo)率Tab.3 Average conductivity in three directions of matrix modified composite laminates with different ratios S/m

由表3 和圖4（a）可知，隨著石墨烯-鍍鎳碳纖維粉導(dǎo)電填料增加，層壓板各方向的電導(dǎo)率逐漸提升，在2-2 組配比下達(dá)到峰值，其中0°和90°纖維方向電導(dǎo)率均達(dá)到了105量級(jí)；由于其漿料流動(dòng)性已逼近制備預(yù)浸料的最低要求，不能繼續(xù)增加導(dǎo)電填料密度，因此選2-2組配方為最終基體改性配方，用于后續(xù)雷擊試驗(yàn)。由圖4（b）可知，2-2組配比下的平均電導(dǎo)率的提升率主要體現(xiàn)在厚度方向上，0°纖維方向提高1.54 倍，90°纖維方向提高1.16 倍，厚度方向提升433.47倍，實(shí)現(xiàn)了對(duì)樹(shù)脂基體的絕緣改性。測(cè)量2-2組配比的導(dǎo)電樹(shù)脂固化后質(zhì)量，改性后48.90 g 比未改性46.99 g，增重約4.46%。

圖4 不同配比基體改性層壓板3個(gè)方向平均電導(dǎo)率Fig.4 Average conductivity in three directions of matrix modified laminates with different ratios

2.2 雷擊試驗(yàn)現(xiàn)象

雷電流沖擊試驗(yàn)過(guò)程，相比于60 kA 雷電流D 波放電［8］，200 kA 雷電流A 波放電產(chǎn)生的爆炸聲更大，發(fā)出的強(qiáng)光更加耀眼；同時(shí)汽化反沖效應(yīng)更加顯著，并由此引起大量火花迸射，如圖5所示。

圖5 電流附著瞬間示意圖Fig.5 Schematic diagram of current attachment moment

待雷擊放電和火花迸射在5 ms內(nèi)結(jié)束后進(jìn)入雷擊后次生效應(yīng)階段，無(wú)防護(hù)試件可見(jiàn)明火，持續(xù)時(shí)間約為8 s；銅網(wǎng)防護(hù)和組合防護(hù)試件均未出現(xiàn)明火，但其生成的煙霧更加濃烈，為燃燒不完全所致（圖6）。

從雷擊后的次生破壞效應(yīng)看，在超大能量雷電流沖擊下，沒(méi)有防護(hù)措施時(shí)，樹(shù)脂基體電阻熱急速增加，持續(xù)燒蝕，而銅網(wǎng)和基體改性都可以導(dǎo)流，起到抑制作用，組合防護(hù)效果更好。

2.3 表觀損傷分析

雷擊結(jié)束后試件迅速冷卻，2 min 左右降至室溫，取下試件對(duì)表觀損傷進(jìn)行目視檢查，見(jiàn)圖7。

圖7 試件表觀損傷情況Fig.7 Apparent damage of specimens

與單向鋪層試件的損傷區(qū)域不同，無(wú)防護(hù)的編織鋪層試件在各方向上的損傷延伸較為均勻，在沿橫向纖維和沿縱向纖維上損傷尺寸最大，使其整體呈現(xiàn)菱形分布特征，這與其電導(dǎo)率在鋪層面內(nèi)的分布特征密切相關(guān)，其最大損傷直徑達(dá)到14.62 cm；單一銅網(wǎng)防護(hù)試件與組合防護(hù)試件均能有效降低內(nèi)部CFRP 的雷擊損傷程度，但其對(duì)防護(hù)銅網(wǎng)犧牲量不同，單一銅網(wǎng)防護(hù)的最大脫落直徑達(dá)到19.05 cm，而組合防護(hù)的僅為8.93 cm，下降53.12%，說(shuō)明基體改性能夠有效減少銅網(wǎng)損傷，提高了銅網(wǎng)防護(hù)的雷擊防護(hù)效率。銅網(wǎng)與層壓板膠接成形，200 kA 的模擬雷電流，足以擊穿銅網(wǎng)，此時(shí)內(nèi)部CFRP 樹(shù)脂燒蝕后產(chǎn)生汽化反沖，造成銅網(wǎng)脫落，受損面積在擊穿損傷的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增大，所以單一銅網(wǎng)防護(hù)比無(wú)防護(hù)損傷直徑大；但是組合防護(hù)，擊穿后內(nèi)部樹(shù)脂電導(dǎo)率改性，迅速導(dǎo)走電流，抑制了汽化反沖，減小了銅網(wǎng)的脫落。

2.4 內(nèi)部損傷分析

使用相控陣超聲檢測(cè)儀（CTS-PA22）對(duì)試件中央損傷區(qū)域背面進(jìn)行超聲C 掃描探測(cè)，圖8為試件在兩次相鄰掃掠路徑上的C 掃描圖像，紅色區(qū)域?yàn)槌暡ǚ瓷鋸?qiáng)烈區(qū)域，損傷嚴(yán)重；綠色為輕度損傷。

圖8 超聲C掃結(jié)果Fig.8 Results of ultrasonic C-scan

對(duì)比3種試件的超聲反射場(chǎng)圖像，容易發(fā)現(xiàn)試件內(nèi)部損傷情況與表觀損傷一致：無(wú)防護(hù)試件的內(nèi)部損傷區(qū)域最大；銅網(wǎng)防護(hù)試件的損傷區(qū)域迅速減小，但內(nèi)部仍有部分缺陷；組合防護(hù)試件則十分完好，未見(jiàn)紅色區(qū)域。利用像素統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)紅色區(qū)域損傷面積進(jìn)行量化，如表4所示。

表4 內(nèi)部損傷面積Tab.4 Internal damage area

銅網(wǎng)防護(hù)試件和組合防護(hù)試件分別比無(wú)防護(hù)試件的內(nèi)部損傷面積下降64.9%和96.2%，說(shuō)明了基體改性不僅能夠顯著減少表面銅網(wǎng)的脫落面積，還能夠進(jìn)一步對(duì)內(nèi)部CFRP 起到防雷擊作用。試件表面和內(nèi)部損傷情況對(duì)比如圖9所示。

圖9 試件表觀和內(nèi)部損傷情況Fig.9 Surface and internal damage of specimens

2.5 組合防護(hù)機(jī)制

綜合對(duì)比試件表觀和內(nèi)部損傷，結(jié)合圖10 可以分析組合防護(hù)的作用機(jī)制。

當(dāng)表面銅網(wǎng)未被擊穿時(shí)，銅網(wǎng)迅速傳導(dǎo)電流，同時(shí)也會(huì)有少量電流向下進(jìn)入復(fù)合材料。此時(shí)若復(fù)材基體未改性，則電流主要在復(fù)材表層內(nèi)通過(guò)碳纖維傳導(dǎo)，厚度方向由于樹(shù)脂電導(dǎo)率差，電流不易向下跨層傳導(dǎo)；而復(fù)材基體改性后，碳纖維和樹(shù)脂都能導(dǎo)電，每層內(nèi)部以及層間都形成導(dǎo)電網(wǎng)格，電流既在復(fù)材表層內(nèi)傳導(dǎo)，也向下跨層傳導(dǎo)，輔助銅網(wǎng)及時(shí)導(dǎo)流。

當(dāng)表面銅網(wǎng)被擊穿時(shí)，電流直接進(jìn)入復(fù)材。此時(shí)若復(fù)材基體未改性，電流無(wú)法導(dǎo)走，復(fù)材表層積聚大量阻性熱，樹(shù)脂迅速熱解汽化，反作用于表面銅網(wǎng)和表層復(fù)材，加重銅網(wǎng)脫粘和復(fù)材分層；而復(fù)材基體改性后，電流逐層向下傳導(dǎo)，降低單層焦耳熱積聚，從而降低內(nèi)部燒蝕損傷，樹(shù)脂熱解汽化程度降低、氣體減少，抑制了汽化反沖作用，減小銅網(wǎng)脫粘面積和復(fù)材分層。

因此基體改性和銅網(wǎng)的組合防護(hù)，能進(jìn)一步提升雷擊防護(hù)效率，起到“一加一大于二”的效果，面對(duì)超大能量雷電流時(shí)，防護(hù)效果比單一防護(hù)更好。

3 結(jié)論

（1）使用石墨烯-鍍鎳碳纖維粉作為導(dǎo)電填料，能夠?qū)?shù)脂基體進(jìn)行電導(dǎo)率改性，隨著導(dǎo)電填料增加，電導(dǎo)率逐漸提升，當(dāng)導(dǎo)電填料占比達(dá)到25%～27%時(shí)，電導(dǎo)率達(dá)到峰值，由于此時(shí)樹(shù)脂流動(dòng)性已逼近制備預(yù)浸料的最低要求，不能繼續(xù)增加填料?；w改性樹(shù)脂浸潤(rùn)T300 碳纖維編織布制成層壓板，0°纖維方向、90°纖維方向、厚度方向平均電導(dǎo)率分別為1.1571×104、1.0871×104、204.2 S/m，相比未改性分別提高1.54 倍、1.16 倍、433.47 倍，且改性前后樹(shù)脂僅增重4.46%。

（2）在基體改性層壓板表面鋪設(shè)銅網(wǎng)，形成基體改性/銅網(wǎng)組合雷擊防護(hù)，模擬雷電流A波沖擊下，單一銅網(wǎng)防護(hù)和組合防護(hù)，都能抑制雷電流附著后的次生效應(yīng)；200 kA 時(shí)，表面銅網(wǎng)被擊穿，但組合防護(hù)能夠抑制銅網(wǎng)擊穿后內(nèi)部CFRP 樹(shù)脂燒蝕造成的汽化反沖，減少銅網(wǎng)脫落面積，從而降低內(nèi)部雷擊損傷；與無(wú)防護(hù)相比，單一銅網(wǎng)防護(hù)和組合防護(hù)下內(nèi)部損傷面積分別下降66.2%和96.7%，超大能量雷電流，組合防護(hù)比銅網(wǎng)防護(hù)防雷擊效果更好。

（3）基體改性與銅網(wǎng)的組合防護(hù)機(jī)制為：銅網(wǎng)防護(hù)發(fā)揮作用時(shí)，復(fù)合材料基體改性能起到分擔(dān)雷電流的作用；銅網(wǎng)防護(hù)失效后，基體改性不僅能顯著抑制復(fù)合材料的雷擊損傷，還對(duì)銅網(wǎng)起到反向防護(hù)作用。