姜愷悅，張衛(wèi)東，邱 華，齊暑華

（西北工業(yè)大學理學院應用化學系，陜西 西安 710129）

飛機抗雷擊復合材料的研究進展

姜愷悅，張衛(wèi)東，邱 華，齊暑華

（西北工業(yè)大學理學院應用化學系，陜西 西安 710129）

新型飛機的雷擊防護是對航空運行安全具有重大影響的關鍵問題。本文對當前飛機雷擊防護領域常用的雷擊防護措施及具有良好發(fā)展前景的新型防雷擊方法的研究進展進行了綜述，并展望了未來的研究方向。

雷擊防護；復合材料；導電

目前，新型飛機均大量使用纖維增強樹脂基復合材料作為結構用材。其在飛機上的廣泛應用得益于高比強度和比模量，但相比于金屬材料，其導電性差的特點導致了抗雷擊性能差，而飛機是否能夠在雷電交加的天空中安全地飛行，抗雷擊性是最為重要的考慮因素之一。對于纖維增強樹脂基復合材料，若缺乏足夠的保護措施，在遭受雷擊后，這些復合材料結構往往會出現(xiàn)比傳統(tǒng)飛機中相應金屬結構更為顯著的損傷和破壞，除了變色、變形，還伴有纖維碳化、分層和樹脂分解等，成為飛行器難以忽視的安全威脅。目前的保護方法有以下幾種。

1 防雷金屬網

目前國內外多數(shù)飛機復合材料多采用金屬網作為雷擊防護層，常見的金屬為銅和鋁。

覆蓋金屬網的方法是將鋁或銅網粘接在結構表面或埋在外層下面。該金屬網代替了舊的金屬絲編織產品，絲束不會松開，可層壓、噴涂和電鍍。格網粘貼到復合材料結構上后，可承受200 000 A的電流（一般雷擊電流為100 000 A），修理時將其損壞部分剝掉，砂除表面，重新膠粘[1]。金屬網一般分為2種：編織網和斜拉網。其中，編織網仍然應用于波音787飛機上作為抗雷擊結構[2]。Liliana Arevalo和Cooray Vernon[3]進行了雷擊模擬實驗，證實了不同抗雷擊級別對應的金屬網格的尺寸大小。Kawakami等[4]選用T700/2510作為復合材料層合板，在其表面安裝銅網并進行雷擊試驗，其結果表明：損傷主要出現(xiàn)在雷擊附著點附近，表現(xiàn)為復合材料的劃痕、基體的燒蝕和銅網的熔融，銅網與復合材料出現(xiàn)了分層且損傷主要沿銅網絲方向，尤其集中在網絲交叉處。

2 金屬表面層纖維增強復合材料

2.1 電弧或火焰噴涂法

電弧和火焰噴涂是指利用電弧或燃燒火焰做熱源，將金屬熔化后噴鍍到受防護表面或制造零件的模子里，最常用的金屬是鋁，厚度約0.1～0.2 mm。紀朝輝等[5]分別設計了復合材料表面火焰噴涂鋁涂層、粘接鋁箔網及粘接鋁箔3種雷擊防護層形式，并經實驗分析得到3種防護層的導電性能特點，鋁涂層的線電阻值最小但質量最大，根據其適用部位不同，現(xiàn)役機型大量采用了這3種導電層作為其復合材料部件表面的雷擊防護層。F.S.Wang等[6]分別制得未鍍金屬層、全鋁鍍層、局部鋁鍍層及在緊固件玻璃布上鍍鋁層這4種不同類型的碳纖維/環(huán)氧復合材料層壓板，并對其進行脈沖電流試驗和耦合熱/電/結構的三維有限元模型模擬，分析其抗雷擊燒蝕性能，結果表明纖維受損面積和最大損傷厚度隨電流峰值增大而增大，較厚的鋁層有更好的抗雷擊效果。

2.2 化學鍍法

Ni、Cu、Ag等金屬常采用化學鍍方法沉積到織物、纖維、合金上，其鍍層均勻，能提高產品的耐蝕性和使用壽命，還能提高耐磨、導電、電磁屏蔽等特性[7～9]。 梁科等[10]利用掃描電子顯微鏡和X射線衍射分析了銅鍍層的表面形貌與晶體結構，發(fā)現(xiàn)在化學鍍法中，增加硫酸銅濃度會使得沉積速率逐漸升高，鍍層電阻值逐漸降低，導電性增加。當硫酸銅濃度為14 g/L時，電阻為19.8 mΩ/sq，具有良好的導電性。

3 防雷膠膜

金屬網一般與復合材料結構一體成型，加工困難，不易維修，因此在金屬網的基礎上出現(xiàn)了防雷膠膜。此種結構安裝方便，鋪層效率高，同時能消除表面孔洞和缺陷。該類防雷擊材料將表面膠膜和導電金屬網結合為一體，將膠膜置于在復合材料結構外表面，累積的電荷即可通過導電金屬網將傳遞到機身放電梢進行放電，從而防止雷擊損傷。導電層主要有金屬箔、機織金屬網篩和金屬網3類[11]。

4 聚合物基導電增強體復合材料

4.1 石墨烯復合材料

在航空航天領域，石墨烯作為制備無機/聚合物納米復合材料的導電納米材料，以其優(yōu)異的導電性吸引了越來越多的關注。同時由于石墨烯的疏水性，此類復合材料具有突出的耐腐蝕性。Tullio Monetta等[12]將石墨烯納米片與親水性環(huán)氧樹脂制成混合涂層，再將其涂于鋁片上，通過測試該涂層的物理性質和電化學阻抗，發(fā)現(xiàn)其導電性、耐腐蝕性大大提高，且DSC測試和交叉切割試驗表明，石墨烯不會影響固化過程或粘附性能。Yoshiyasu Hirano等[13]對一系列石墨烯/環(huán)氧薄板樣品進行人工雷擊實驗，結果表明損傷增長由薄板的各向異性所決定，由雷擊參數(shù)決定的脈沖波形表現(xiàn)出與損傷形式的密切聯(lián)系，而樣品大小和厚度的多樣性幾乎不能影響損傷大小。

4.2 碳纖維復合材料

Jihua Gou等[14]從工藝性出發(fā)，采用造紙法制備一種碳納米纖維與鎳納米絲混雜增強復合材料，以樹脂傳遞模塑方法，采取添加臨時表面障礙物的方法防止注入的樹脂破壞紙張表面。雷擊試驗表明，該材料的耐雷擊性與其表面層的電性能正相關，其中碳納米紙的導電性起著決定性的作用。此防護方法在有效降低復合材料的損傷面積和深度的同時，基本保持了復合材料結構的剩余強度。另外，針對碳納米紙機械強度不高的問題，利用碳納米纖維改性碳纖維制備多尺度增強體，即可使復合材料的貯能模量和導電性 均 有 所 提 高[15]。 Toshio Ogasawara等[16]基于模擬雷擊實驗結果和初步分析，得出CFRP沿厚度方向電傳導是沿熱分解路徑，并由分層區(qū)域和損傷深度證實CFRP的熱分解行為與之相符。

Yoshiyasu Hirano等[17]制備了一種新型碳纖維/聚苯胺復合材料，并經測試，該CF/PANI復合材料優(yōu)異的導電性在沒有任何雷擊保護涂層（LSP）的前提下抑制了雷擊損傷的發(fā)生。

4.3 碳納米管復合材料

碳納米管為樹脂基體提供了重要的電氣性能，使其從絕緣體改變?yōu)榘雽w[18]。Yamamoto等[19]通過將碳纖維上的原位生長碳納米管與樹脂進行熱固融合制備了碳納米體積分數(shù)為3%的復合材料，使得復合材料的導電率提高了6～8個數(shù)量級。Xiang Ma等[20]通過設計模型預測了碳納米管/碳纖維/環(huán)氧復合材料的電氣和機械性能，試驗結果表明，通過優(yōu)化纖維的微觀結構，相比于分散碳納米管環(huán)氧復合材料，使纖維體積分數(shù)2%的樣品的厚度電導率大大提高。Li C等[21]的實驗結果表明隧穿效應（電子從一個碳納米管躍遷到另一個）對于碳納米管增強復合材料的導電性起著重要作用，尤其是當碳納米管的電流負載接近電滲流閾值時[22]。

4.4 金屬納米線填充復合材料

Luis Quiroga Cortes等[23]合成了填充銀納米線（AgNWs）的碳纖維/聚芳醚酮復合材料，經測定，層壓板的外平面方向電導率為銀納米線體積分數(shù)的函數(shù)，AgNWs填充（～1.5 vol%）的復合材料比未填充復合材料的導電率至少高出3個數(shù)量級。浙江大學的顏光清[24]利用液相多元醇法合成了具有高選擇性、高長徑比和多樣性的銀納米線材料，并將銀納米線摻雜到傳統(tǒng)微米銀填料中，再加入到一種雙組分有機硅聚氨酯涂料中，實驗結果表明能夠有效地提高銀粉的導電效率并制備出高性能的導電涂料，有望應用于飛機表面。

4.5 導電顆粒填充復合材料

Donghai Zhang等[25]將炭黑納米顆粒（3 wt%）及二氯化銅摻入基體后測得：復合材料的導電率提高了5個數(shù)量級，橫向拉伸強度提高了45.9%，層間斷裂韌性可以提高12.7%。

5 聚合物基金屬化纖維復合材料

5.1 鍍鎳碳纖維環(huán)氧復合材料

碳纖維表面化學鍍鎳可以顯著提高碳纖維的表面性能，在賦予其金屬的導電、導熱和電磁性能同時，保持其高強質輕等優(yōu)點。

程真真[26]采用正交實驗法優(yōu)化了碳纖維鍍鎳的鍍液配方和工藝條件，根據正交優(yōu)化結果對一系列化學鍍過程的影響因素進行分析，得出最佳鍍液配方和工藝條件，所得鍍鎳碳纖維的電阻率為0.5×10-5Ω·cm。對直徑為7 μm的碳纖維進行化學鍍鎳，碳纖維表面的鍍鎳層厚度隨著施鍍時間增長而增加，電阻率降低，化學鍍1 h后碳纖維直徑增加到10.4 μm，電阻率從1.53×10-5Ω·m減少至4.40×10-6Ω·m[27]。

Divya K. Chakravarthi等[28]對鍍鎳單壁碳納米管（Ni-SWNTs）填充的耐高溫雙馬來酰亞胺/碳纖維復合材料的加工、材料優(yōu)化和性能方面進行了研究，經研究分析，在純化的SWNTs上鍍鎳可以提高其分散性，從而使得其在碳纖維織物表面均勻覆蓋；增加4 wt%的Ni-SWNTs，復合材料的電阻性可以減小10%；Ni-SWNTs填充的復合材料相比于未填充的參考樣品在模擬雷擊實驗中碳纖維拔出量有所減小。

5.2 鍍銀碳纖維環(huán)氧復合材料

銀導電性能強、電阻低，用銀對碳纖維表面進行改性可以制作優(yōu)異的抗電擊材料。侯偉等[29]在碳纖維表面直接化學鍍銀并簡化工藝流程，用葡萄糖和酒石酸作為還原劑，考查碳纖維預處理及鍍液等因素對鍍層質量的影響，并對鍍銀碳纖維的導電性能進行了測試，結果表明將銀氨溶液緩慢地加入到還原劑中再加入碳纖維可以防止銀粒過快析出，得到了均勻致密、結合強度高的銀鍍層，沉積時間在20 min以內得到的鍍銀碳纖維的電阻率明顯減小。劉延坤等[30]通過正交試驗確定了碳纖維表面化學鍍銀的工藝條件及鍍液配方，采用XRD、SEM等方法對鍍銀后碳纖維進行表面形貌分析，結果表明碳纖維表面得到均勻致密鍍銀層，碳纖維鍍銀后電阻 率 由3.099×10-5Ω·m降至1.730×10-6Ω·m。

胡健[31]利用化學鍍銀的方法，在碳納米纖維表面進行銀的沉積，制備出鍍銀碳納米纖維復合材料，并利用四點探針法測試材料的導電性能，結果表明隨著碳納米纖維表面銀包覆量的增加，材料的導電性能提高越大，電阻率越小。

6 導電高分子復合材料

后藤晃哉等[32]于2015年制成了首例新型抗雷擊材料，研發(fā)出了可將雷電能量轉換吸收的樹脂，可有效減少雷擊對航空、風電等機體的傷害。

另外，Andrzej Katunin等[33]開發(fā)了獲得高導電聚苯胺/環(huán)氧樹脂的合成方法，并通過介電矩陣中導電顆粒之間的電滲流數(shù)值模擬該雜化聚合物的含量，所進行的物理化學、機械和熱測試結果表明，該材料具備作為飛機結構材料的穩(wěn)定性，相比傳統(tǒng)的碳纖維復合材料具有優(yōu)異的綜合性能。

7 展望

隨著對飛行器要求的提升，復合材料在整體機身中所占的體積比例越來越高，不同組成、不同結構的復合材料所能承受的雷擊電流不同，因此應該綜合各種因素，選擇最優(yōu)設計以提高復合材料的抗雷擊性能。目前對抗雷擊復合材料的研究，大多從增強材料導電性出發(fā)，但對增強材料的鋪層順序及基體在抗雷擊方面的貢獻有待探索，這是未來研究的難點與重點，需要更多研究人員共同努力。

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Research progress on lightning strike protection for aircraft composite materials

JIANG Kai-yue, ZHANG Wei-dong, QIU Hua, QI Shu-hua
(School of Natural and Applied Sciences, Northwestern Polytechnic University, Xi'an, Shaanxi 710129, China)

The lightning strike protection is a key issue that has a significant impact on the aviation operational safety. In this paper, the multiple measures commonly used in the field of lightning protection and the research progress of new lightning strike protection methods with good development prospect were reviewed. And the possible future research directions were presented as well.

lightning strike protection; composite materials; conductive

TQ050.4+3

A

1001-5922（2017）11-0060-04

2017-03-28

姜愷悅（1995-），女，研究方向：高分子材料。E-mail：550746122@mail.nwpu.edu.cn。