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碳纖維增強(qiáng)聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP）復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)良的性能，近年來(lái)在航空制造領(lǐng)域的使用越來(lái)越廣泛，特別是在飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身、整流罩等部位。與金屬材料相比，碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)電性較差，又存在內(nèi)部泄放路徑，遭遇雷擊后破壞嚴(yán)重。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，飛機(jī)每飛行1000~10000h會(huì)遭遇一次雷擊，雷電對(duì)飛機(jī)的安全飛行構(gòu)成極大威脅。對(duì)于大量使用復(fù)合材料的現(xiàn)代飛機(jī)，若不采取雷電防護(hù)措施，飛機(jī)結(jié)構(gòu)遭受雷擊后將遭受不可逆轉(zhuǎn)的破壞，嚴(yán)重威脅飛機(jī)安全飛行，甚至可能造成安全事故。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)碳纖維復(fù)合材料的雷擊直接效應(yīng)、雷電防護(hù)開(kāi)展了相應(yīng)的研究。日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)Y. Hirano等對(duì)石墨/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料層合板開(kāi)展雷擊試驗(yàn)，將復(fù)合材料的損傷形式分為纖維破壞、樹(shù)脂退化、內(nèi)部分層等。法國(guó)航空航天實(shí)驗(yàn)室L. Chemartin等發(fā)現(xiàn)焦耳熱和聲波沖擊產(chǎn)生的過(guò)壓是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)破壞的來(lái)源。

提高復(fù)合材料抗雷擊能力的方法有：設(shè)金屬保護(hù)層、金屬網(wǎng)、在復(fù)合材料制作過(guò)程中在其內(nèi)部添加碳納米管等導(dǎo)電性物質(zhì)等，提高復(fù)合材料整體電導(dǎo)率。華盛頓大學(xué)H. Kawakami等在復(fù)合材料表面鋪設(shè)銅網(wǎng)，研究雷擊防護(hù)能力。Gou Jinhua等研究一種在樹(shù)脂中植入鎳納米絲，將碳納米絲連在一起而構(gòu)成的碳納米紙。D. K. Chakravarthi等在復(fù)合材料中加入鍍鎳碳納米管改善復(fù)合材料電導(dǎo)率，提高復(fù)合材料雷擊防護(hù)能力。

目前針對(duì)碳纖維復(fù)合材料不同金屬防護(hù)層的雷電流響應(yīng)特性研究較少。為比較不同金屬防護(hù)層對(duì)碳纖維復(fù)合材料的防護(hù)能力及雷電流對(duì)其表面防護(hù)層的影響，武漢大學(xué)、成都供電公司的研究人員對(duì)全噴鋁碳纖維復(fù)合材料、網(wǎng)格噴鋁碳纖維復(fù)合材料、銅網(wǎng)全鋪碳纖維復(fù)合材料、網(wǎng)格銅網(wǎng)碳纖維復(fù)合材料試驗(yàn)件開(kāi)展了雷電流A分量直接效應(yīng)雷擊試驗(yàn)，測(cè)量了雷擊試驗(yàn)前后試驗(yàn)件的表面電阻，對(duì)比分析了四類(lèi)防護(hù)形式的防雷擊能力，以及在雷擊試驗(yàn)前后的性能差異。

圖1 試驗(yàn)件示意圖

試驗(yàn)結(jié)果表明，雷擊試驗(yàn)前，四類(lèi)防護(hù)方式的碳纖維復(fù)合材料六條邊表面電阻均具有對(duì)稱(chēng)性，各邊表面電阻值均在20~40mΩ，其中網(wǎng)格噴鋁及網(wǎng)格銅網(wǎng)防護(hù)形式的電阻大于全噴鋁及銅網(wǎng)全鋪防護(hù)形式的電阻。

圖2 雷擊試驗(yàn)示意圖

雷擊試驗(yàn)后，四種防護(hù)形式的碳纖維復(fù)合材料表面電阻對(duì)稱(chēng)性出現(xiàn)明顯變化，同時(shí)電阻阻值明顯增大。全噴鋁、銅網(wǎng)全鋪表面防護(hù)形式的表面電阻分別增大4.7倍和4.4倍，網(wǎng)格噴鋁及網(wǎng)格銅網(wǎng)的表面電阻分別增大0.9和1.5倍。

未進(jìn)行防護(hù)的碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料雷擊損傷嚴(yán)重，表現(xiàn)為纖維斷裂、樹(shù)脂汽化蒸發(fā)，四類(lèi)防護(hù)層均具有良好的防雷擊能力，網(wǎng)格類(lèi)防護(hù)形式防雷擊性能比全防護(hù)形式差，在防護(hù)層與下層纖維接觸位置的纖維出現(xiàn)輕微損傷。

圖3 雷擊試驗(yàn)后損傷形貌

圖4 雷擊試驗(yàn)后表面電阻

他們最后得出結(jié)論如下：

1）全噴鋁防護(hù)、銅網(wǎng)全鋪防護(hù)、網(wǎng)格噴鋁防護(hù)、網(wǎng)格銅網(wǎng)防護(hù)四類(lèi)防護(hù)方式的六條邊表面電阻均具有對(duì)稱(chēng)性。網(wǎng)格噴鋁及網(wǎng)格銅網(wǎng)防護(hù)形式的電阻大于全噴鋁及銅網(wǎng)全鋪。

2）未進(jìn)行防護(hù)的碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料雷擊損傷嚴(yán)重，表現(xiàn)為纖維斷裂、樹(shù)脂汽化蒸發(fā)。四類(lèi)防護(hù)形式均對(duì)下層纖維起到了明顯保護(hù)，全噴鋁防護(hù)、銅網(wǎng)全鋪防護(hù)優(yōu)于網(wǎng)格噴鋁、網(wǎng)格銅網(wǎng)防護(hù)。

3）雷擊后表面防護(hù)層受到破壞，表面電阻對(duì)稱(chēng)性出現(xiàn)變化。全噴鋁、銅網(wǎng)全鋪的表面電阻變化大于網(wǎng)格噴鋁及網(wǎng)格銅網(wǎng)的變化。

以上研究成果發(fā)表在2020年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊2上，論文標(biāo)題為“碳纖維航空復(fù)合材料雷電流A分量作用后表面形貌及電阻變化”，作者為王建國(guó)、單飛 等。