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复合材料的雷击保护

摘要:纤维增强复合材料具有较高的强度和刚度，所以复合材料常被用于飞机一些结构件的制造。但是采用绝缘或半导电复合材料的主要缺点是飞机遭受雷击时容易出现损伤。近年来最常用的雷电防护方法是在复合材料外表面铺设金属网，防止雷电流在复合材料某一区域造成灾难性破坏。然而铺设金属网这会增加飞机的重量造成燃油消耗的增加。本文主要阐述了雷击对复合材料的损坏，以及雷电的保护措施和其他防雷击的材料和替代技术。聚合物基纳米复合材料和碳纳米管等先进材料都是雷电保护技术研究方向。

关键词：雷击保护；复合材料；导电材料；纳米材料；涂层；飞机

1. 引言

飞机遭受雷击事件经常发生，有资料显示飞机平均飞行1000～10000小时发生一次雷击事件，商业飞机平均每年遭遇一次雷击^[1]。由闪电产生的巨大电流会穿过飞机上极小的结构，因此，如果飞机任何很小的部分没有被很好的保护起来，局部的损坏就会造成如控制电缆或其他重要的飞机零部件汽化等严重的后果^[2]。金属飞机的框架主要由铝制成，迄今为止已经使用了几十年，因为它具有良好的导电性能，保护飞机的雷击危害^[3]。除此之外，天线罩可以把电流转移到地上或者飞机的其他防电装置，从而保护天线免受雷击，同时也不影响电磁通信^{[4, 5]}。

在过去几年中，航空航天公司的材料设计从金属发展为复合材料，目的是减少飞机的重量同时节约燃料。这使改进飞机的机械性能如高强度高刚度成为可能^[6]。令人遗憾的是，纤维增强复合材料导电率低和电磁力难以避免雷击对复合材料结构的损伤。当雷击或雷电电流通过这些复合结构，可能造成材料脆化，分层，或结构损坏^[2]。雷击保护（LSP）是将雷电流和电磁干扰（EMI）引入飞机的保护系统，并通过在另一途径导向地面。雷击最严重的伤害通常发生在雷电能量密度最高的进口或出口的地方。先进航空公司正在通过研究增加复合材料中的雷电保护性能，减少甚至消除飞机在雷击过程中的损害。目前最流行的解决方案是用铝和铜制成的金属网铺设在复合材料部件的外表面，其他金属材料还有镍^[5]和磷青铜^[7]。然而，这额外的重量使重量更轻的复合材料再一次加重。

本文将讨论层合板LSP的解决方案，在满足现行的标准和准则的同时实现材料轻、成本适宜。关于目前用于雷电保护的材料例如一些金属和纳米材料的潜力逐渐被发掘出来。本文介绍了化学镀、物理气相沉积、冷喷涂等化学镀方法。关于雷电保护可以在许多方向去探寻新的解决方案，特别是在微型和纳米技术方面去检查替代材料及其制造方法。复合材料雷击类型的实验和损伤结果可以被展现出来。本文的目的是为进一步深入研究雷电保护原则和表征最新实验结果的解决方法。

1. 雷击保护的背景

2.1闪电现象，LSP原则

雷击对飞机飞行安全的威胁极大，通常是在飞机起飞、降落或飞机经过一个积雨云^[8]。闪电放电经常发生在云层和云层之间，云层到地面之间，或者地面到云层之间^[9]。自从大多数的飞机在云层内部遭受到雷击以来，人们把焦点聚集在云层到地面之间的放电，但是云层与云层之间的放电依然是最重要一种^[4,9]。闪电经常会击中飞机的机头位置，机翼的尖端和飞机尾部的突出部分^[2]。电流将通过最短的和导电最快的路径，就是我们所说的“电路”，并从另一个极端导出，返回的路径是从地面到“云”的正电流。由于在闪电放电过程中飞机的移动，放电电流顺着飞机移动方向沿着最短距离扫过。机身表面的静电是电流通过飞机表面并附着在表面产生的。闪电的能量密度集中在电流浪涌的入口和出口处。电导率越高，这种能量峰产生的速度越快，极端的能量密度会导致材料的汽化。LSP的主要目标是在外部结构提供了一个安全的导电路径，这使得附着在飞机表面的静电快速导出不至于机身损坏^[2]。这种金属机身的被动保护是基于法拉第笼原理，金属网格和导电涂料的办法也是这种理念，其基本原理是改善飞机的某个组成部分，如油漆，丝网或增加复合材料导电性。

2.2 电磁干扰现象及防护

电磁干扰源对飞机上的通讯和电子设备产生的电磁波有很大的干扰作用，因此，LSP的次要目的是提供飞机EMI屏蔽。对于不同材料的电磁干扰研究^{[ 10, 14 ]}，电磁屏蔽的基本原理是法拉第笼，电磁波无法进入任何封闭的表面导电材料。这种保护效果屏蔽效率是由一个对数比确定：来自入射波透过材料的大部分能量与原来自身接受到能量^[10]。电磁干扰屏蔽的主要机理是反射电磁波^{[ 10 ]}。当电磁波进入屏蔽导体^{[ 10 ]}时，电磁波也开始衰减。在深度为delta;时，EMI下降到1 / E（E值的数学常数）。高导电材料的电磁屏蔽 。式中sigma;为电导率,f（Hz）是频率，mu;（1）为磁导率， alpha;为衰减常数。

金属通常被用于电磁干扰屏蔽，因为它们具有高导电性，所以电磁波具有较低的穿透深度。碳材料，如炭黑，石墨和碳纤维，导电聚合物具有高导热系数并且相对重量轻，所以他们都是未来的良好选择方向。

2.3 政府法规和工业标准

LSP的主要目的是防止雷击产生的直接影响：灾难性的结构损坏，雷电对人的伤害，和很多雷电对飞机控制能力的影响。金属框架飞机通常能够避免直接影响^[4]，而非金属部件需要尽量减少冲击或转移的影响（如电气电流和热效应）^{[ 15 ]}，表1显示LSP的部分清单，相关规定是由政府征收标准发展的军事和工业的法规。该规定满足美国政府机构的要求，但不是很具体，其中还包括汽车工程师协会（SAE）航天推荐做法（ARP）和军用标准（MIL-STD）。

表1 LSP相关标准和法规的部分名单

飞机制造商也有自己的内部要求，以解决安全和经济问题^[3]。

根据联邦航空管理局（FAA）法规咨询通告AC 25-21节25.581“结构的防雷”^[15]，在经过雷电后飞机必须能够飞行和运行并且没有灾难性的损害。目前的行业标准是SAE ARP，包含指南和试验来确定飞机或飞机部分是否通过规定^{[ 3 ]}。没有最低电导率通过规定，但试验结果表明，高导电性的材料可以经受广泛的损害（如无渗透的LSP的面板，产生小损伤面积）^{[ 16 ]}。两个SAE ARP标准，SAE ARP 5412和5414，说明通过模拟飞机上闪电现象与雷电波形的电流是不均匀的。这就使得剪裁的LSP的解决方案适用于每个区/飞机零件。

标准SAE ARP 5414分飞机分为三个区域，称为雷击区。每一个区域代表着被各种不同类型的闪电电流所击中的可能性，而这是显示该飞机被保护的步骤之一^[17]。图1显示了商业飞机的六个不同区域。1区有初始雷击附着框架，称为附着点，并且首先进行回击，与1A区具有低挂载的期望值，与1B区具有高挂载的期望值，和1C区对于减少幅度进行首先回击和低挂载的期望值^{[ 9]}。2区很有可能经历随后的雷击或者二次打击，和2A区具有低挂载的期望值并且和2B区具有高挂载的期望值 ^[9]。当雷击发生在飞机飞行路径上，可以使雷击'扫'过表面^{[ 4，9 ]}。3区将支持直接或扫过的附件点区域之间的大的闪电电流^[4]。区域之间的界限是由雷电冲击试验的实验室测试的^[4]。

由SAE所推荐的雷电流波形对雷击直接影响的评估是由四个电流部分组成的，如图2（SAE arp5412 ^{[ 18 ]}）所示命名为A-D。1区和2区都需要维持现有的B和C电流部分。这种波形用于分析和测试是理想化的。A部分代表着首先回应雷击，电流强度达到200000安 ^{[ 19 ]}，B和C部分所代表的闪电环境，是由随后中间和长时间电流回击或打击引起的，而D代表随后的破坏。电流波形A是为1区域预留的，而2区只需要维持电流波形D。雷击是一个短脉冲，期间的能量转移取决于脉冲的侧面，或波形。波形的侧面导致不同的能量和电流密度具有相同量的电流。

图1 雷击区以直翼喷气飞机为例，根据SAE ARP 5414 ^{[ 17 ]}文件和2004“通用航空雷击报告和保护水平的研究”^{[ 9 ]}。区域1个代表最严重的雷击，2区代表一个挂载收到袭击的可能性，并且3区是代表大电流通过连接点的区域。2区和3区需要比1区承受较小的电流^{[3, 9]}。

图1

AC25-21和SAE ARP 5412和5414的标准显示具备完整的雷击防护要求的材料要能够承受大电流和高电流密度，目前虽然因为较低的电流密度（但同样数量的电流）的原因，2区和3区需要比1区少的LSP，在这种情况下，位于2区的一些石墨/碳纤维复合材料，不再需要额外的LSP^{[ 4 ]}。还有其他的规则和标准，如那些用于航空无线电技术委员会（RTCA），是美国联邦航空局和咨询通告部20-53（AC20-53）的咨询组，对题为“由闪电引起的燃油蒸气导致的点火对飞机燃油系统的保护”^{[ 20 ]}，提供额外的要求和建议。

图2 SAE ARP 5412模拟雷电波形，没有测量^{[ 3, 18 ]}。用于雷电试验的闪电流波形包括四个部分。他们表示：A，首先进行回击（高达200000安），B和C部分所代表的闪电环境，是由随后中间和长时间电流回击或打击引起的，而D代表随后的破坏

2.4 雷击对复合材料的损害

闪电通常采用并联或串联–并联的储能电容配置来进行模拟，这都需要一个单独的雷电波形发生器^{[ 21 ]}。闪电测试的通过或失败，这取决于是否损害了飞机安全^{[ 4 ]}。在大电流下，甚至对结构进行保护的飞机，雷击也会经常产生一些损害，这在测试之前都是不能预测的^{[ 4 ]}。闪电对于飞机的影响有两种类型的影响：直接影响^{[ 22 ]}和间接影响^{[ 23 ]}。直接影响包括的在直接区域和可能分层或者符合材料层这样的层压板使之变脆或者树脂蒸发^{[ 22 ]}。在携带燃料的复合材料结构情况下，保护变得更为关键，因为可能由于雷击产生的电火花会点燃燃油蒸汽^{[ 3 ]}。间接效应是由可变磁领域和结构的电位差引起的，会引起的瞬态电压。如果电气或电子设备没有被保护，那么它可以被损坏或破坏^{[ 2 ]}。

用于雷击损坏对航空航天工业直接影响的主要方法是视觉检测、硬币轻敲，即用一个方法，一个简单的硬币或小锤敲击工具表面上和利用所产生的声音来判断是否分层损伤^{[ 24 ]}，或者超声波脉冲回波和低能射线，X射线和红外热像图等方法^{[ 25 ]}。

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