肖 堯, 李 斌, 劉曉山, 張獻逢, 董 俊, 魏小龍

（1.空軍工程大學(xué) 航空機務(wù)士官學(xué)校，河南 信陽 464000；2.空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院，西安 710038）

20世紀80年代至今，復(fù)合材料在主流飛機中的應(yīng)用比例逐步上升[1-2]，軍用飛機最高已達到飛機結(jié)構(gòu)總重的40%，而民用飛機的用量更高，波音-787客機的復(fù)合材料用量超過50%[3-4]，使用范圍也從飛機的次承力結(jié)構(gòu)件發(fā)展到了現(xiàn)在部分主承力結(jié)構(gòu)件。在眾多先進復(fù)合材料當中，碳纖維復(fù)合材料（carbon fibre reinforced plastics，CFRP）憑借其優(yōu)異的綜合力學(xué)性能和耐腐蝕性能脫穎而出[5]。與此同時，CFRP樹脂基體的高電阻率也使其在強電流作用下會產(chǎn)生劇烈阻性熱，造成嚴重的燒蝕損傷，甚至產(chǎn)生局部高壓造成爆炸[6]。若飛機在飛行時遭遇雷擊，其CFRP構(gòu)件可能受到嚴重損傷，影響飛行安全。

目前，傳統(tǒng)的防雷擊措施主要有金屬防護網(wǎng)箔、金屬保護涂層、雷電導(dǎo)流條、防雷擊膠膜和絕緣層防護等[7-8]，但以上的表面防護措施在防護效果、經(jīng)濟性、可操作性、結(jié)構(gòu)質(zhì)量和使用維護等方面存在各自的不足[9-10]。對復(fù)合材料進行基體改性是國內(nèi)外學(xué)者在新形式雷擊防護設(shè)計方面一個重要研究方向。通過基體改性實現(xiàn)復(fù)合材料導(dǎo)電性的提高，從而降低雷擊損傷，起到雷擊防護作用，學(xué)者們已做了一系列的相關(guān)研究[11-12]。Hirano等[13]開發(fā)聚苯胺基導(dǎo)電熱固性樹脂，提高了樹脂的電導(dǎo)率和均勻性，其電導(dǎo)率值在面內(nèi)和面外方向上分別是傳統(tǒng)碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的5.92和27.4倍，40 kA雷電流下的雷擊損傷減少76%；Chakravarthi等[14]對填充了鍍鎳單壁碳納米管的碳纖維雙馬來酰亞胺復(fù)合材料防雷擊效果進行了評估，添加4%（質(zhì)量分數(shù)）可以降低整體電阻率，從而降低雷擊損傷；王奔[15]選擇在環(huán)氧樹脂中添加石墨烯，利用石墨烯的良好電導(dǎo)率完成對絕緣樹脂的改性。

在電器電子行業(yè)，利用金屬顆粒改性樹脂電導(dǎo)率已做了一系列研究。孫健等[16]采用不同粒徑的銀粉、不同固化收縮率的基體配制導(dǎo)電膠，探究固化過程及銀粉形貌對導(dǎo)電膠電阻率的影響，結(jié)果表明：銀粉形貌對電阻率影響較?。换w固化收縮率越大，電阻率越小，對導(dǎo)電性影響起決定性作用。萬超等[17]研究了銀粉含量、形貌以及表面處理對導(dǎo)電膠的體積電阻率和剪切強度的影響，結(jié)果表明：當銀粉含量為60%時，該導(dǎo)電膠發(fā)生滲流現(xiàn)象；并且銀粉顆粒尺寸越小，固化后的導(dǎo)電性能越好，但粘接性能越差；表面處理可提高導(dǎo)電性能，其中酸改性提升效果最明顯，但其剪切強度有所下降。

本工作在CFRP樹脂基體中加入以銀粉為主的導(dǎo)電填料對樹脂基體改性，制備各方向電導(dǎo)率均提高的改性CFRP層合板，通過模擬雷電流D波沖擊實驗，與未改性以及傳統(tǒng)銅網(wǎng)防護下層壓板雷擊損傷進行對比，對其抗雷擊性能進行驗證。

1 導(dǎo)電樹脂漿料制備

選擇航空用CFRP常用基體環(huán)氧樹脂作為改性對象；選擇銀粉和碳納米管作為改性填料：銀粉作為主要填料，能夠在樹脂中形成導(dǎo)電網(wǎng)格，提供導(dǎo)電通道，有效降低樹脂電導(dǎo)率；碳納米管輔助增強環(huán)氧樹脂導(dǎo)電性，也能夠延長其裂紋擴展路徑，降低裂紋尖端應(yīng)力，從而增加環(huán)氧樹脂韌性。為使導(dǎo)電填料與樹脂基體漿料充分摻混，保證漿料較好的流動性，同時不產(chǎn)生其他效應(yīng)，可按照文獻[18]的方法進行改性制備。最終的改性漿料配方及其固化后的電導(dǎo)率分別如表1和表2所示。

可以發(fā)現(xiàn)，最終配方制備的導(dǎo)電漿料固化后電導(dǎo)率能夠達到105S/m量級，實現(xiàn)了對環(huán)氧樹脂基體的電導(dǎo)率改性。用S-4800掃描電鏡對固化試樣液氮淬斷后的斷面進行掃描，掃描結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出：銀粉在環(huán)氧樹脂中混合均勻，幾乎與環(huán)氧樹脂融為一體，很難分辨出導(dǎo)電銀粉與環(huán)氧樹脂的界面，沒有出現(xiàn)集中團聚的情況，有利于導(dǎo)電網(wǎng)路的形成。因此，該配方中的銀粉比例大小適中，兼顧了漿料的流動性要求，能夠保證下一步高電導(dǎo)率CFRP層合板的改性制備。

2 CFRP樹脂基體最佳銀粉含量

2.1 不同銀粉含量CFRP電導(dǎo)率

以導(dǎo)電樹脂基體漿料為基礎(chǔ)，采用真空輔助樹脂傳遞模塑（VARTM）技術(shù)制備CFRP層合板[15]。為確定導(dǎo)電漿料中銀粉質(zhì)量占整個CFRP樹脂體系的比例，進行不同銀粉含量的配方調(diào)試。利用基體漿料，制備銀粉含量25%、30%和40%的CFRP層合板試件，同時未改性的0%銀粉含量試件作為對照，4種試件外觀如圖2所示。

表 1 導(dǎo)電漿料的最終改性配方Table 1 Final modified formulation of conductive paste

表 2 導(dǎo)電漿料固化后的電導(dǎo)率Table 2 Conductivity of cured conductive paste

層合板中的碳纖維為編織結(jié)構(gòu)，將復(fù)合材料沿纖維方向電導(dǎo)率設(shè)為σ1，垂直于纖維方向電導(dǎo)率設(shè)為σ2，沿厚度方向電導(dǎo)率設(shè)為σ3，測量不同銀粉含量的編織層合板電導(dǎo)率，結(jié)果見表3。

圖 1 導(dǎo)電漿料最終配方（表1）固化樣品液氮淬斷后斷面SEM照片 （a）高倍；（b）低倍Fig. 1 SEM images of cross section of cured sample （the final formula of conductive paste in Table 1），after liquid nitrogen quenching （a） high magnification；（b） low magnification

圖 2 不同銀粉含量下的試件外觀Fig. 2 Appearances of the specimens with different contents of Ag-powder（a）0%；（b）25%；（c）30%；（d）40%

表 3 不同銀粉含量的CFRP試件電導(dǎo)率Table 3 Conductivities of the specimens with different contents of Ag-powder

由表3可知：編織結(jié)構(gòu)CFRP層合板的σ1和σ2相近，且隨著銀粉含量的提高，三個方向電導(dǎo)率增大，σ3增加最明顯。由文獻[17]可知，樹脂中添加的銀粉質(zhì)量分數(shù)為60%達到導(dǎo)電滲流閥值，體積電阻率為1.6 × 10-5Ω?m，繼續(xù)添加銀粉，體積電阻率下降減緩，當質(zhì)量分數(shù)達到80%和85%時，兩者電導(dǎo)率已基本不發(fā)生變化。本工作制備導(dǎo)電環(huán)氧樹脂是為了制備層壓板試件，實際制備過程中，銀粉質(zhì)量分數(shù)大于40%之后，整個樹脂的流動性很差，無法制作復(fù)合材料層壓板，因此要綜合考慮樹脂含銀量與流動性，保證層壓板層內(nèi)以及層與層之間的黏結(jié)性和對碳纖維的包裹性。

2.2 不同銀粉含量CFRP雷擊仿真

根據(jù)文獻[19-20]中的熱-電耦合燒蝕模型和基于樹脂基熱解度的復(fù)合材料電導(dǎo)率模型建立有限元模型，選擇ABAQUS熱-電耦合模塊，集中電流加載。模型總共包含24層，每層厚度0.15 mm，單元類型為DC3D8E，單元總數(shù)為57600。頂部和側(cè)面采用第三類熱傳導(dǎo)邊界條件，設(shè)定層壓板與周圍環(huán)境間的熱傳導(dǎo)系數(shù)以及環(huán)境溫度，采用第二類熱傳導(dǎo)邊界條件使底邊絕熱，設(shè)定邊界熱流密度為0 w/m2，熱輻射率為0.9，空氣溫度為25 ℃，底面和側(cè)面的電勢為0 V[21]。代入不同銀粉含量CFRP試件的實測電導(dǎo)率，分析層壓板樹脂中不同含量銀粉對雷擊燒蝕損傷的影響，以確定改性樹脂基體的最佳銀粉含量，仿真模型如圖3所示。

圖 3 仿真模型示意圖Fig. 3 Simulation model of the composite exposed to simulated lighting current

圖 4 不同銀粉含量下的試件雷擊損傷溫度場Fig. 4 Lightning damage temperature fields of the specimens with different contents of Ag-powder （a）0%；（b）25%；（c）30%；（d）40%

圖 5 不同銀粉含量試件損傷面積Fig. 5 Damage areas of the specimens with different contents of Ag-powder

表 4 改性CFRP層壓板不同方向電導(dǎo)率測量結(jié)果Table 4 Electrical conductivities of modified CFRP in different directions

在T1/T2= 4.78/19.6、峰值電流為80 kA的模擬雷電流波形下，不同銀粉含量的CFRP層合板的雷擊損傷溫度場分布如圖4所示，具體對應(yīng)的雷擊損傷面積如圖5所示。在銀粉含量分別為0%、25%、30%和40%的條件下，對應(yīng)表觀損傷面積分別為1589.03 mm2、461.04 mm2、345.94 mm2和288.25 mm2；隨著銀粉含量的增加，表觀燒蝕損傷面積逐漸降低，分別下降70.99%、78.23%和81.86%。導(dǎo)電漿料中銀粉占樹脂體系的比例增加，使得原本絕緣的環(huán)氧樹脂得到改性，電導(dǎo)率提升，從而降低燒蝕損傷。當銀粉質(zhì)量分數(shù)大于30%之后，雷擊損傷的防護效果的增幅下降，為保證CFRP層壓板層內(nèi)及層間的黏結(jié)性和對碳纖維的包裹性，避免過多銀粉影響層壓板力學(xué)性能，最終確定的銀粉占基體體系質(zhì)量分數(shù)為38%。

2.3 改性CFRP電導(dǎo)率測定

改進CFRP層壓板實測電導(dǎo)率如表4所示。對比表3中未改性層壓板電導(dǎo)率，可以看出對CFRP層壓板沿厚度方向電導(dǎo)率的改性效果最佳，提高了217.3倍，對沿纖維方向電導(dǎo)率的改性效果不明顯，這是因為碳纖維原本電導(dǎo)率就很高。

3 模擬雷電流直接效應(yīng)實驗

3.1 試件與實驗設(shè)備

試件參照標準ASTM D7137設(shè)計，為單向結(jié)構(gòu)層壓板，共計三種類型。第一種：基體未改性空白層壓板，單層厚度0.15 mm，共24層，尺寸為150 mm ×100 mm × 3.6 mm（未改性）；第二種：表面鋪設(shè)銅網(wǎng)層壓板，銅網(wǎng)網(wǎng)眼數(shù)為1100目，銅絲直徑為0.25 mm，銅網(wǎng)里層單層厚度0.15 mm，共24層，尺寸為150 mm ×100 mm × 3.85 mm（銅網(wǎng)防護）；第三種：基體改性層壓板，單層厚度0.2 mm，共24層，尺寸為150 mm ×100 mm × 4.8 mm（基體改性）。三種類型層壓板層數(shù)相同，厚度不同。所用碳纖維均為T700級，樹脂基體均為E-51環(huán)氧樹脂，層壓板的鋪層順序均為[45/-45/0/90/90/-45/0/45/0/90/-45/45]s，試件如圖6所示。

實驗設(shè)備為ICTS-A/D-200/100復(fù)合材料雷電直接效應(yīng)沖擊發(fā)生器，沖擊電流發(fā)生器實物如圖7所示。

圖 6 三種類型層壓板試件 （a）未改性；（b）銅網(wǎng)防護；（c）基體改性Fig. 6 Three types of laminate test piece （a） unmodified；（b） copper wire mesh protection；（c） matrix modification

圖 7 沖擊電流發(fā)生器Fig. 7 Impulse current generator

3.2 實驗方案

選擇雷電流D波，對三種類型共計9件層壓板試件進行雷電流直接效應(yīng)實驗，具體方案如表5所示。

3.3 實驗結(jié)果分析

圖8分別給出了20 kA、40 kA、60 kA模擬雷電流沖擊下三種類型復(fù)合材料層壓板的雷擊損傷形貌。由圖8（a-1）、（b-1）和（c-1）可知，20 kA下，未改性試件雷擊損傷主要沿纖維方向分布，層壓板中心附著點及其四周有明顯的樹脂燒蝕痕跡，表層纖維均已破裂；銅網(wǎng)防護和基體改性試件表面均未擊穿，僅留有燒蝕的痕跡，燒蝕痕跡都擴展到上下邊緣。由圖8（a-2）、（b-2）和（c-2）可知，40 kA下，未改性試件表層纖維翹曲，里層纖維裸露，樹脂燒蝕范圍擴大，整個損傷形貌的分布趨勢不變；銅網(wǎng)防護試件的銅網(wǎng)燒蝕面積擴大，中間附著點處銅網(wǎng)已被擊穿，四周銅網(wǎng)部分熔化；基體改性試件樹脂燒蝕程度增大，但表層未被擊穿，僅中心區(qū)域產(chǎn)生輕微裂紋。由圖8（a-3）、（b-3）和（c-3）可知，60 kA下，未改性試件損傷嚴重，不僅包含纖維斷裂，樹脂燒蝕，還出現(xiàn)了分層損傷，中間區(qū)域留有深深的凹坑，損傷到達內(nèi)部多層；銅網(wǎng)防護試件中心附著處銅網(wǎng)被完全破壞，剝離表面，內(nèi)層的纖維和樹脂也產(chǎn)生了嚴重損傷；基體改性試件中心區(qū)域表面被擊穿，開始產(chǎn)生纖維斷裂翹曲，表層輕微凸起。

表 5 雷電流直接效應(yīng)實驗方案Table 5 Lightning current direct effect test program

圖 8 三種試件不同雷擊電流下表觀損傷 （a）未改性；（b）銅網(wǎng)防護；（c）基體改性；（1）20 kA；（2）40 kA；（3）60 kAFig. 8 Lightning damage diagram of three types of test piece （a） unmodified；（b） copper wire mesh protection；（c） matrix modification；（1） 20 kA；（2） 40 kA；（3） 60 kA

圖9給出了不同峰值電流下三種類型試件雷擊損傷超聲掃描圖像，透視掃描損傷由每層各自方向上的損傷疊加而成。利用像素統(tǒng)計法和色彩比較法測量，20 kA、40 kA和60 kA下，未改性試件的雷擊透視損傷面積分別為374.14 mm2、1926.12 mm2和2850.08 mm2，銅網(wǎng)防護試件的雷擊透視損傷面積分別為0 mm2、257.95 mm2和1782.44 mm2，基體改性試件的雷擊損傷面積分別為59.79 mm2、365.38 mm2和1684.13 mm2。圖10為三種類型層壓板試件在不同峰值電流下的雷擊透視損傷面積。銅網(wǎng)防護方式能使碳纖維復(fù)合材料雷擊透視損傷面積分別下降100%、86.61%和37.46%?；w改性整體防護方式能使碳纖維復(fù)合材料雷擊透視損傷面積分別下降84.02%、81.03%和40.91%。

由于基體改性復(fù)合材料表面的電導(dǎo)率比純金屬銅網(wǎng)表面電導(dǎo)率低，所以低電流下（20 kA）基體改性防護效果不如銅網(wǎng)，銅網(wǎng)可以完全抵御雷電類的沖擊；但高電流下（60 kA）基體改性的防護效果超過了銅網(wǎng)防護，因為此時銅網(wǎng)被擊穿，燒蝕、融化產(chǎn)生大面積損傷，作為外表面防護層的一次性防護作用已失效，雷電損傷進入材料內(nèi)部進行擴展，而基體改性為整體防護形式，表層遭受破壞后，里層的防護依舊有效，每一層的雷擊防護能力都和表層的一致。在20 kA和40 kA電流下，高溫?zé)峤馐侵饕獡p傷源，損傷模式主要為樹脂燒蝕擴展；在60 kA電流下，爆炸沖擊破壞占較大比重[22]，損傷除了樹脂燒蝕，還出現(xiàn)了纖維翹曲斷裂，層與層之間分層，中心區(qū)域留下凹坑。爆炸是由于內(nèi)部層與層之間熱解氣體快速積聚，銀粉改性基體使得每一層導(dǎo)電性都很好，內(nèi)部阻性加熱降低，所以在減少熱解損傷的同時，也顯著抑制了爆炸的發(fā)生。因此，在較大的峰值電流沖擊下，采用整體防護的基體改性方法，能夠提高復(fù)合材料的抗雷擊特性，并且基體改性的雷擊防護效果與雷電流能量有關(guān)，超過一定能量范圍，防護效果下降。

圖 9 不同峰值電流下三種類型試件雷擊損傷超聲掃描圖 （a）未改性；（b）銅網(wǎng)防護；（c）基體改性；（1）20 kA；（2）40 kA；（3）60 kAFig. 9 Ultrasonic scanning images of lightning damage in three types of test piece with different peak currents（a） unmodified；（b） copper wire mesh protection；（c） matrix modification；（1） 20 kA；（2） 40 kA；（3） 60 kA

圖 10 三種試件在不同峰值電流下的雷擊損傷面積Fig. 10 Lightning damage areas of three kinds of test piece under different peak currents

4 結(jié)論

（1）在CFRP樹脂基體中加入以銀粉為主的導(dǎo)電填料能夠使其導(dǎo)電性能得到大幅提升；隨著銀粉含量的增加，改性CFRP雷擊防護性能增強，但當銀粉含量超過一定閾值時，其改性效果增幅逐漸變小。CFRP基體中最佳銀粉含量為38%，沿厚度方向電導(dǎo)率的改性效果最佳，提高了217.3倍。

（2）相同類型層壓板試件，隨著峰值電流增大，損傷程度增大，雷擊損傷形式特征變化。銅網(wǎng)被擊穿之后，內(nèi)部鋪層出現(xiàn)損傷，形式與未改性的損傷特征相同；而基體改性可以阻礙表面鋪層被擊穿，降低纖維斷裂翹曲以及分層損傷。

（3）峰值電流20 kA、40 kA和60 kA下，銅網(wǎng)防護方式使碳纖維復(fù)合材料雷擊透視損傷面積分別下降100%、86.61%和37.46%。，基體改性整體防護方式能使其分別下降84.02%、81.03%和40.91%。低電流下基體改性防護效果不如銅網(wǎng)，但高電流下基體改性防護效果更好。銅網(wǎng)防護為一次性防護，基體改性為整體防護形式，每一鋪層均具有雷擊防護能力，表層遭受破壞后，里層的防護依舊有效，并且基體改性的雷擊防護效果與雷電流能量有關(guān)，超過一定能量范圍，防護效果下降。