復(fù)合材料電搭接阻值測試探討

陳雯

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.18.009

摘 要：該文以復(fù)合材料電搭接問題實例為基礎(chǔ)，分析搭接電阻數(shù)值超差原因，從導電通路、設(shè)計指標、標準件選擇、工藝控制等方面提出降低搭接電阻的方法，提出對于開敞性較差區(qū)域的搭接電阻測量方法和后續(xù)提高電搭接阻值穩(wěn)定性的建議。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 電搭接 測試

中圖分類號：V25 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（c）-0009-02

Composite Electrical Bonding Problem Discussion

Chen Wen

（Shanghai Aircraft Design and Research Insitute，Shanghai，201210，China）

Abstract： A problem of electrical bonding in composite is discussed and analyzed， several methods to decrease the bonding resistance is given. Methods of electrical bonding in narrow space are given. Some suggestions on stability of bonding resistance are given.

Key Words： Composite； Electrical Bonding； Testing

隨著玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料在民航飛機中的廣泛使用，復(fù)合材料的搭接電阻成為一個越來越重要的問題，正確恰當?shù)碾姶罱訉τ诒ＷC民航飛機的飛行安全正變得越來越重要。對復(fù)合材料進行電搭接，需要復(fù)合材料外表面導電，目前常用的方法是在復(fù)合材料表面噴涂金屬鋁層或在復(fù)合材料表面鋪銅網(wǎng)，前者由于涂層質(zhì)量輕且導電性優(yōu)良，應(yīng)用更為廣泛。根據(jù)電搭接的定義，電搭接是需要將電傳導至主結(jié)構(gòu)上，因此搭接路線和搭接測試方法尤為重要。該文將對某噴鋁的復(fù)合材料搭接測試方法做一些探討。

1 電搭接通路

該復(fù)合材料零件由玻璃纖維面板和蜂窩芯組成的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)加上外表面噴涂鋁涂層，當其裝配至機身結(jié)構(gòu)后設(shè)計的電搭接通路如圖1所示。從圖1中可以看出，設(shè)計電搭接的搭接通路有兩條。

通路1：從噴鋁層傳至壓窩墊圈NAS1169C10、螺栓NAS1203-11、托板螺母MS21059L3及支架本體。

通路2：從噴鋁層傳至壓窩墊圈NAS1169C10、螺栓NAS1203-11和支架本體。

2 問題描述

在安裝該零件到組件上進行電搭接電阻測量時發(fā)現(xiàn)以下問題。

（1）噴鋁層至支架的電阻值為20～70 mΩ。

（2）此零件電搭接有4處，最終將形成封閉區(qū)域，因此在測量最后一處搭接電阻時測量表筆無法放置到支架上，沒有測量通路。

通過檢查相關(guān)工程文件要求后發(fā)現(xiàn)如下問題。

（1）該處的搭接電阻值應(yīng)不大于10 mΩ[1]。

（2）工程文件中未規(guī)定開敞性不好區(qū)域的測量方法。

3 原因分析及測量方法改進

搭接電阻值超過設(shè)計要求，原因可能有兩個，設(shè)計原因和制造原因。上述第一章節(jié)中已經(jīng)分析其電搭接通路，可見電搭接通路是完整的，從電搭接通路的設(shè)計上來說沒有問題，那么造成測試搭接電阻偏大的原因是什么？經(jīng)過仔細分析發(fā)現(xiàn)：雖然電搭接通路是完整的，但忽視了一個細節(jié)設(shè)計，即搭接通路上的標準件是否選擇合理？生產(chǎn)過程中的實現(xiàn)過程是否有漏洞？通過仔細從設(shè)計及工藝方面分析，發(fā)現(xiàn)造成該電搭接電阻值過大原因有如下幾種。

（1）壓窩墊圈的材質(zhì)選用。

現(xiàn)有圖紙所選墊圈為NAS1169C10，其材料為耐蝕鋼。查詢該壓窩墊圈規(guī)范，如圖2所示。經(jīng)過查看該壓窩墊圈可選材質(zhì)中包括鋁合金、鋼和鈦合金，從導電性上看，鋁合金>鋼>鈦合金，鋁合金密度僅為鋼的1/3，因此從導電性要求和減輕重量角度來看，應(yīng)該優(yōu)選鋁合金材質(zhì)墊圈。該壓窩墊圈有兩種鋁合金墊圈，D為5052-O墊圈，DD為2024-T42包鋁墊圈，強度前者遠低于后者，但前者使用的表面處理為化學轉(zhuǎn)化膜，而后者使用的表面處理則為鉻酸陽極化處理，根據(jù)表面處理經(jīng)驗，考慮到噴鋁層表面并不光滑，如果墊圈材質(zhì)較硬，則墊圈與噴鋁層的有效接觸面積較小，導致接觸電阻增大；如果墊圈材質(zhì)較軟，則墊圈與噴鋁層的有效接觸面積可因較軟材料填充間隙而增大，導致接觸電阻減小，因此建議選用NAS1169D10作為墊圈較為合適。

（2）電搭接通路標準件選用。

通路1中目前選用的托板螺母為MS21059-L3，查看MS21059圖紙：表面處理為鍍鎘和干膜潤滑，鍍鎘的主要目的是電化學防腐蝕，干膜潤滑的主要目的是便于安裝。查詢MS21059對應(yīng)的采購規(guī)范NASM25027，其中規(guī)定：干膜潤滑劑符合AS5272，I型標準。AS5272材料要求明確規(guī)定：符合AS5272規(guī)范的干膜潤滑材料中無石墨、無粉末狀金屬等物質(zhì)（這些物質(zhì)導電性好），故托板螺母不導電，測量結(jié)果已經(jīng)證實。但該托板螺母與支架連接部位的支架區(qū)域已經(jīng)打磨出金屬基體表面，如果托板螺母不導電，則該電搭接面沒有起到電搭接作用，故該托板螺母必須導電。查詢MS21059發(fā)現(xiàn)，該托板螺母還有一種無干膜潤滑的構(gòu)型，對同尺寸的該牌號托板螺母進行測量，結(jié)果表明：該托板螺母導電性良好，其電阻值為0.3 mΩ，兩種托板螺母外觀如圖3所示。因此從增加導電性，降低搭接電阻方面考慮，應(yīng)將該托板螺母從現(xiàn)有的MS21059-L3換成MS21059-3。

通路2中螺栓與支架孔為間隙配合（螺栓NAS1203-11的光桿直徑為4.79～4.81 mm，支架上螺栓孔徑為5.06～5.13 mm），因此該通路導電功能的實現(xiàn)靠螺栓與孔壁的接觸來實現(xiàn)，而這種接觸具有隨機性，且無法保證穩(wěn)定的接觸面積，故接觸電阻值波動較大，因此該通路不應(yīng)當作為主要電搭接通路使用，只能作為輔助導電通路。

（3）電搭接工藝。

在使用電搭接相關(guān)標準件前，應(yīng)對標準件中需要搭接的表面進行清洗，以保證標準件的搭接面是潔凈表面，增大有效接觸面積，降低搭接電阻。對于此處的電搭接，應(yīng)該在安裝托板螺母時，對該托板螺母的搭接表面采用異丙醇或丙酮進行清洗。

從上述3方面進行改進后，可以有效降低電搭接電阻值，但是仍然無法解決封閉區(qū)間無法測量的問題。筆者認為可以將該電搭接電阻分為以下3部分進行測量。

（1）托板螺母與螺栓的搭接電阻。

（2）托板螺母與支架的搭接電阻。

（3）螺栓與噴鋁層之間的搭接電阻（通過壓窩墊圈傳遞）。

因為螺栓與托板螺母之間是通過螺紋連接的，螺紋連接的接觸面積是一定的，所以搭接電阻（1）是一定的，而托板螺母與支架的搭接電阻（2）是可以在安裝前測量，螺栓與噴鋁層之間的搭接電阻（3）可以在安裝螺栓后進行測量，最后總的搭接電阻為上述3部分電阻加起來的總值。

4 結(jié)語

復(fù)合材料電搭接對于保證民航飛機飛行安全十分重要，因此必須從設(shè)計與工藝兩方面保證電搭接阻值符合規(guī)范要求。對于該文中涉及的“表面噴鋁層+壓窩墊圈+螺栓+支架”搭接組合方式建立主要電搭接通路建議如下。

（1）壓窩墊片應(yīng)盡可能選擇與噴鋁層/銅網(wǎng)相近且電化學電位比較接近的金屬墊圈，如果復(fù)合材料上是噴鋁層，應(yīng)盡量選擇鋁合金材質(zhì)的壓窩墊圈，當存在兩種及以上鋁合金壓窩墊圈時，應(yīng)優(yōu)先考慮表面處理為化學轉(zhuǎn)化膜，硬度較低的鋁合金墊圈。

（2）在選擇與支架等結(jié)構(gòu)搭接面相連接的螺母類標準件時，在保證耐腐蝕設(shè)計要求的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用導電性能較好的螺母類標準件。

（3）在做好結(jié)構(gòu)件搭接面處理的同時，對于搭接標準件，尤其是搭接標準件的搭接面，在裝配時應(yīng)先做好清洗工作，不能認為新的標準件無須清洗，盡量增大有效搭接面積，降低搭接電阻。

（4）對開敞性較差區(qū)域的搭接電阻測量，可在已知某部分搭接電阻很小的情況下，分段測量其搭接電阻，間接得到總的搭接電阻值。

復(fù)合材料電搭接是一項復(fù)雜的工作，除在通路設(shè)計和工藝上采取措施盡量降低搭接電阻值外，還需要對典型搭接情況進行具有統(tǒng)計意義的試驗，搜集不同工人進行電搭接操作時的差異信息，保證復(fù)合材料電搭接的工藝穩(wěn)定性。

參考文獻

[1] ARP1870A，Aerospace Systems Electrical Bonding and Grounding for Electromagnetic Compatibility and Safety [S].SAE COMMITTEE AE-4， ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY COMMITTEE，2012.

[2] MIL-STD-464， Electromangnetic Enviroment Effects Requirement for Systems [Z].1997.