4种碳纤维航空复合材料的表面防护形式，哪种防雷击能力更强？ / 开普饭

碳纤维树脂基复合材料广泛应用于飞机制造，需要进行必要的雷电防护。武汉大学电气与自动化学院、国网成都供电公司的研究人员王建国、单飞、周蜜、樊亚东、蔡力，2020年《电工技术学报》增刊2上撰文，对表面全喷铝、网格喷铝、铜网全铺和网格铜网四种表面防护形式的碳纤维复合材料及未进行表面防护的碳纤维复合材料开展了雷电流A分量直接效应雷击试验，测量了雷击前后试样表面电阻，并对各类防护形式的防雷击效果进行了对比。

碳纤维增强聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP）复合材料具有强度高、耐腐蚀、耐疲劳等优良的性能，近年来在航空制造领域的使用越来越广泛，特别是在飞机机翼、机身、整流罩等部位。与金属材料相比，碳纤维复合材料导电性较差，又存在内部泄放路径，遭遇雷击后破坏严重。

据统计，飞机每飞行1000~10000h会遭遇一次雷击，雷电对飞机的安全飞行构成极大威胁。对于大量使用复合材料的现代飞机，若不采取雷电防护措施，飞机结构遭受雷击后将遭受不可逆转的破坏，严重威胁飞机安全飞行，甚至可能造成安全事故。

国内外学者针对碳纤维复合材料的雷击直接效应、雷电防护开展了相应的研究。日本宇宙航空研究开发机构Y. Hirano等对石墨/环氧树脂复合材料层合板开展雷击试验，将复合材料的损伤形式分为纤维破坏、树脂退化、内部分层等。法国航空航天实验室L. Chemartin等发现焦耳热和声波冲击产生的过压是复合材料结构破坏的来源。

提高复合材料抗雷击能力的方法有：设金属保护层、金属网、在复合材料制作过程中在其内部添加碳纳米管等导电性物质等，提高复合材料整体电导率。华盛顿大学H. Kawakami等在复合材料表面铺设铜网，研究雷击防护能力。Gou Jinhua等研究一种在树脂中植入镍纳米丝，将碳纳米丝连在一起而构成的碳纳米纸。D. K. Chakravarthi等在复合材料中加入镀镍碳纳米管改善复合材料电导率，提高复合材料雷击防护能力。

目前针对碳纤维复合材料不同金属防护层的雷电流响应特性研究较少。为比较不同金属防护层对碳纤维复合材料的防护能力及雷电流对其表面防护层的影响，武汉大学、成都供电公司的研究人员对全喷铝碳纤维复合材料、网格喷铝碳纤维复合材料、铜网全铺碳纤维复合材料、网格铜网碳纤维复合材料试验件开展了雷电流A分量直接效应雷击试验，测量了雷击试验前后试验件的表面电阻，对比分析了四类防护形式的防雷击能力，以及在雷击试验前后的性能差异。

图1 试验件示意图

试验结果表明，雷击试验前，四类防护方式的碳纤维复合材料六条边表面电阻均具有对称性，各边表面电阻值均在20~40mΩ，其中网格喷铝及网格铜网防护形式的电阻大于全喷铝及铜网全铺防护形式的电阻。

图2 雷击试验示意图

雷击试验后，四种防护形式的碳纤维复合材料表面电阻对称性出现明显变化，同时电阻阻值明显增大。全喷铝、铜网全铺表面防护形式的表面电阻分别增大4.7倍和4.4倍，网格喷铝及网格铜网的表面电阻分别增大0.9和1.5倍。

未进行防护的碳纤维树脂基复合材料雷击损伤严重，表现为纤维断裂、树脂汽化蒸发，四类防护层均具有良好的防雷击能力，网格类防护形式防雷击性能比全防护形式差，在防护层与下层纤维接触位置的纤维出现轻微损伤。

图3 雷击试验后损伤形貌

图4 雷击试验后表面电阻

他们最后得出结论如下：

1）全喷铝防护、铜网全铺防护、网格喷铝防护、网格铜网防护四类防护方式的六条边表面电阻均具有对称性。网格喷铝及网格铜网防护形式的电阻大于全喷铝及铜网全铺。

2）未进行防护的碳纤维树脂基复合材料雷击损伤严重，表现为纤维断裂、树脂汽化蒸发。四类防护形式均对下层纤维起到了明显保护，全喷铝防护、铜网全铺防护优于网格喷铝、网格铜网防护。

3）雷击后表面防护层受到破坏，表面电阻对称性出现变化。全喷铝、铜网全铺的表面电阻变化大于网格喷铝及网格铜网的变化。

4种碳纤维航空复合材料的表面防护形式，哪种防雷击能力更强？

以上研究成果发表在2020年《电工技术学报》增刊2上，论文标题为“碳纤维航空复合材料雷电流A分量作用后表面形貌及电阻变化”，作者为王建国、单飞 等。

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以上研究成果发表在2020年《电工技术学报》增刊2上，论文标题为“碳纤维航空复合材料雷电流A分量作用后表面形貌及电阻变化”，作者为王建国、单飞等。