碳纤维复合材料的雷击致损过程及损伤机理分析

引言

雷电是影响飞行安全的重要因素。在现代飞机的制造中，以碳纤维增强复合材料（CFRP）为代表的先进复合材料的应用日益广泛，同时使得雷击防护问题变得更加突出。

相比于传统的铝合金等金属材料，CFRP 材料的电导率要低得多，遭受雷击后能量的聚集及向材料内部的释放也要严重得多。在雷电流声冲击、焦耳热、洛伦兹力等多种效应的耦合作用下，复合材料结构会在表面形成明显的可见损伤，并因电流向结构内部的注入和能量累积而形成更为显著的内部损伤，严重影响材料的结构完整性和可靠性。

复合材料雷击防护（LSP）的主要目标是在结构外部构建一条安全的电流传导路径，确保绝大部分的电流仅停留在表面，并且能在不引起严重损伤的情况下迅速导走。传统防护层防护方法主要是在复合材料表面附着一层具有高导电性的材料作为导电层，例如导流条、铜网等。除此之外人们也在探索更加轻质高效的防护材料技术，例如碳纳米涂层、树脂基材料电性能改进等。为准确掌握雷击致损机制、有效评估防护效果，大电流与复合材料作用过程的试验、测量和仿真技术也逐步发展和完善。国内外学者从不同侧面对这领域的技术发展进行了综述。我们团队自 2011 年开展复合材料雷击损伤效应方面的研究，在碳纤维复合材料的雷击致损过程及损伤机理分析、电导率随雷击过程温度变化特征、雷击条件下多参量观测等方面开展了系统的研究。本文主要基于国内外资料调研和我们实验室的研究成果，从 CFRP 材料雷击效应试验、分析及防护材料新进展的角度加以回顾和分析。

1 复合材料雷击防护方法

1.1传统防护层方法

1.2新型抗雷击复合材料

采用 LSP 防护层的传统防护方法虽然行之有效，但仍然存在较大局限性。不仅会增加结构重量，而且防护层的存在有可能会因妨碍树脂汽化后的泄放而导致更严重的损伤。因此，新型雷击防护复合材料也在不断探索之中。这些材料通常是在保证结构整体力学性能的情况下，通过在基体中加入具有更高导电性的粒子来改善材料的整体导电性，从而提高抗雷击能力。

美国橡树岭国家实验室的 Vipin Kumar 等人基于聚苯胺基导电树脂制备了四种厚度方向电导率不同的CFRP 材料，结果表明，厚度方向电导率为 110 S/m 的材料雷击后可保留 92% 的剩余弯曲强度。东京农业技术大学的 Kamiyama 等人对环氧树脂、双马来酰亚胺及聚醚醚酮三种不同基体的碳纤维增强复合材料进行了雷电流 A 分量测试及损伤对比，结果表明，双马来酰亚胺及聚醚醚酮基体材料的抗雷击性能要优于环氧树脂基体材料。哈尔滨工业大学的 Z. J. Zhao 等人也研制了一种基于马来酰亚胺基体的 CFRP 材料，并制备一种轻质导电薄纱交织到 CFRP 材料中，在不影响静态机械强度的情况下，显著改善了厚度方向的电导率，提高了雷击防护性能。西安交通大学的 Ben Wang 等人提出了一种渗透辅助树脂膜输注法，通过使还原氧化石墨烯在复合材料表面积聚来实现雷电防护，测试结果表明，此方法可显著改善材料的雷击防护性能，提高雷击后的剩余强度，而且可以提高材料的耐热性。Kuma 等人近期分析了复合材料雷击损伤的影响因素，总结了不同组成成分及参数下的复合材料的抗雷击性能。

从复合材料雷击防护方法的研究情况看，对复合材料雷击防护效果的评估，主要通过与未防护材料的雷击损伤情况的对比进行验证。受设备条件及实验成本等限制，不仅有些测试电流与标准

中要求的波形参数有较大差别，测试的样本量也十分有限，因此传统的损伤检测途径需要不同物理量的在线测量和仿真分析配合，以更好的理解与评价各个物理量的影响机制和防护方法的有效性。

2 复合材料雷击致损效应仿真分析

2.1复合材料雷击通道接触过程模拟

2.2复合材料雷击多物理场耦合损伤效应

3 复合材料雷击致损过程特征参量观测

4 复合材料雷击在线监测新方向

 

5 结语

复合材料在现代飞机制造中具有广阔的应用前景。但随着其应用范围的增加，特别是扩展到机身、机翼等与飞行安全息息相关的初级结构中后，复合材料的雷击防护重要性更加突出。随着新技术的发展及加工工艺的进步，新的 LSP 材料和方法不断问世，向着轻质、高效、多功能的方向发展。为加快新材料的研发和应用，需要进一步完善复合材料雷击防护优化设计方法和性能评价体系；配合这一工作的开展，需要同步加强雷电流对材料及防护层的作用过程的数值仿真方法和实验观测手段的研究。　

      审核编辑：彭静