飞机新型抗雷击复合材料研究进展

摘要

复合材料导电性差，一旦遭受雷击，便会产生严重的损伤。随着复合材料在飞机上的用量越来越大，如何对复合材料进行雷电防护，保证飞机遭遇雷击后能够继续安全飞行，成为飞机设计中的一个难点。文中首先分析了复合材料在雷击时的损伤机理，之后介绍了近几年来新型的复合材料雷电防护方法，并结合上述方法，为新型飞机复合材料雷电防护提出了建议。

复合材料因其比强度高、比模量高、抗疲劳、耐腐蚀，以及可设计性等特点［1－2］，在先进飞机结构上的应用越来越广泛。国内外众多改进、在研和预研的先进飞机，其复合材料使用率普遍提高。自上世纪 80 年代开始，国外最新研制的歼击机几乎全部采用复合材料机翼，机身也大量应用复合材料。美国的F－22 猛禽战斗机复合材料占到飞机总质量的25% ，欧洲的EF2000 台风战机达到40% ，美国的虎式直升机更是占到了80% 。民机方面，欧洲空客 A380 复合材料使用率达 52% ，美国波音787 梦想客机也超过了50% ，在一些轻型通用飞机、无人机领域甚至出现了全复合材料飞机［3］。

但与传统的金属材料，如铝合金、钛合金等相比，复合材料导电性能差，当飞机遭受雷击时，复合材料不能有效的传导雷电流，电荷在雷击点附近大量聚集并转化为热能，这便有可能造成复合材料燃烧、熔融、爆炸和结构畸形; 同时伴随雷电的过压和过电流，还会产生强大的电磁脉冲，使得飞机内部的电子系统和部件发生干扰或损坏，容易使复合材料飞机结构在雷电等极端环境中出现严重损伤，更容易造成前文提到的灾难性悲剧的发生［4－5］，因此在飞机设计过程中，复合材料的雷电防护是一项非常重要的工作。

1 复合材料雷电损伤机理

雷电对复合材料的损伤过程非常复杂，损伤通常是由于雷电流产生的热－电－磁－力耦合效应造成的［6］。如雷电通道瞬间热膨胀带来的过压效应、复合材料雷电流焦耳热效应及由此引起的复合材料的汽化反冲效应，瞬间由放电通道传导至复合材料的巨大能量，可以引起复合材料表面和次表面的热膨胀、相变和高温热分解等物理化学变化。此外，复合材料燃烧和热解到一定程度时，会使碳纤维升华，从而在基体中出现凹坑，热解气体的压力使复合材料分层。图 1 为复合材料在雷电冲击时各种损伤效应的示意图。

目前，复合材料常用的雷电防护方法是将复合材料金属化，以达到或接近金属的导电能力，从而提高雷电防护能力。复合材料金属化是用以下几种方式中的 1 种来实现:

( 1) 对于绝缘复合材料，在结构的外面增加接闪装置。

( 2) 在复合材料结构的外层整体增加导电层。

( 3) 将导电材料加入到复合材料铺层中。

( 4) 使用导电基体制备复合材料。

上述方式都需要将导电路径连接到飞机的其他部分，为电流提供安全离开的路径。对于方法( 1) 和 ( 2) ，已经有成熟的产品，如火焰喷涂、雷电防护金属网、片段式雷电导流条等［7］，目前各种飞机多采用这种防护措施; 对于 ( 3) 和 ( 4) 的防护方法，实际应用较少，但是该措施质量轻，工艺简单，是复合材料雷电防护的研究趋势，下文主要介绍该类防护方法的最近研究进展。

2 复合材料金属化的最新进展

2. 1 频率选择表面

频率选择表面是指周期性排布在导电金属表面上的缝隙，或介质表面上的金属贴片，其本质是一种空间滤波器，使用该天线罩，可以实现天线隐身设计，从而满足飞机隐身要求。对于采用频率选择表面的雷达天线罩，如果安装雷电导流条，会显著降低隐身指标，并且由于频选层为金属材料，使用导流条的防护效果也不明显。

金华送变电工程有限公司、合肥工业大学等机构，对频率选择超材料雷电附着特性进行了研究，研究结果表明，普通雷达罩加入金属频选层后，当雷电导流条间距大于 50 cm 后，其已完全失去雷电防护效果，试验照片如图 2 所示。分析后可知，对于普通天线罩材料，在雷电下行先导的发展过程中，导流条上感应的电场强度将会高于天线罩内金属天线感应的电场强度。针对频选超材料天线罩，大量金属超结构单元分布于天线罩罩壁内部，与外部导流条几乎处于相同的空间位置，在雷电下行先导的发展过程中，罩壁内部部分区域金属超结构单元的感应电场强度会超过分流条上的电场强度，从而将雷电主放电通道引向超材料天线罩，造成导流条防护失效。

频率选择表面结构由金属组成，理论上可以接闪和传导雷电流，因此对于采用频率选择表面结构的隐身雷达罩，可以考虑对频选层进行防雷优化，同时实现防雷与隐身功能。对此问题，瑞士ABB 公司开展了相关研究［8］。图 3 为 FSS 结构雷击试验后的照片。由图 3 可知，FSS 结构可以快速将雷电流传递开来，避免内部天线罩损伤。目前FSS 结构的厚度都比较薄，只能防护较低等级的雷电，难以满足 200 kA 大电流传导要求; 如果增加频选厚度，又会影响频选效果，因此对于该防护方法，还需要进一步深入研究。

2. 2 SansEC 传感器

SansCE ( Sans Electrical Connections ) 传感器，是美国 NASA 研究中心开发的一种新型多功能复合材料表面防护装置。此装置由导电材料组成，外形为二维螺旋结构，具体如图 4 所示。

SansEC 传感器最大的特点是具备螺旋结构，飞机表面安装 SansEC 传感器后，传感器在雷电频谱下会产生振荡，并产生自己振荡的电场和磁场，从而改变雷电的附着位置，保证雷电先导远离飞机的关键位置。图 5 为复合材料表面安装 SansEC传感器，进行雷电试验的照片。可以看到，电弧在SansEC 传感器上方发生了摆动，能将电弧引入到击穿电阻最小的位置，从而增加 SansEC 传感器防护的可靠性。使用 SansEC 传感器，还可以对复合材料进行无损检测。材料内部损伤后，会改变SansEC 的谐振频率，通过检测该数据的变化，可确定复合材料内部的损伤位置和损伤形式。此外，SansCE 传感器在结冰、气动载荷、油量探测等方面，也具有很好的应用前景。

2. 3 雷电防护传感器

雷电防护传感器 ( lightning protection sheetsensor) 是日本东京工业大学进行的一项研究工作［9］，该传感器具有雷电防护和传递负载 2 种功能，如图 6 所示。该传感器分为 3 层: 第 1 层为铜箔，主要起到雷电防护的功能，铜箔设计有向下凸起的圆柱，用来传递负载和电压; 第 2 层为硅橡胶，主要起到绝缘支撑作用，防止雷电流进入传感器;第 3 层为矩形电阻阵列，相互正交排列，组成监测电路。通过上述结构，该 LPS 传感器不仅能起到雷电防护功能，还可以实现对雷击位置实时监测，飞机在飞行过程中，一旦发生雷击，该传感器可以迅速确定雷击位置，并对损伤情况进行分析，为飞行员提供更加可靠、充分的数据。

2. 4 导电薄膜

随着纳米技术的发展，越来越多的导电纳米颗粒被应用在复合材料雷电防护领域。导电薄膜与金属网复合膜结构类似，只是将铜网替换为纳米导电材料，如碳纳米管、石墨烯等。图 7 为哈尔滨工业大学研发的一种碳纳米纸。如图 7 ( a) 所示，该纳米纸是将碳纳米管用聚合物粘合起来，形成一种质量轻、厚度薄、导电性好的新型材料，该材料的电导率为84 S cm，在碳纳米管表面沉积银颗粒时，该材料的导电性可急速提高至1 756 Scm［10］。图 7 ( b) 和图 7 ( c) 为安装导电薄膜前后雷击试验照片。由图 7 可知，未防护的复合材料损伤较大，而增加碳纳米纸防护后，复合材料损伤较小，雷电防护能力得到显著提升。Integu-ment Technologies 公司、Lightning Diversion Sys-tems、黑龙江石化院［11－12］都开发过类似产品，但在实际应用中较少。

2. 5 导电纳米颗粒

纤维增强复合材料由纤维和树脂 2 部分组成，除了增加纤维的导电性外，还可以在树脂基体中增加导电填料，最终提高复合材料的抗雷击性能，该方向属于近几年来材料领域的研究热点，国内外有许多机构已经在该领域开展了深入研究。哈尔滨工业大学使用采用多壁碳纳米管( MWNT) 和短碳纤维 ( SCF) 作为增强材料，环氧树脂作为作为基体，制备了用于飞机防雷的导电纳米复合材料［13］。研究结果表明，碳纳米管和短碳纤维可以均匀地分布在环氧树脂基体上，形成三维导电体，这使得复合材料的电阻大大降低，导电性得到改善，最终材料具备良好的雷电防护性能。

日本航空航天勘探局的研究人员，将石墨添加到环氧树脂中，制备了石墨环氧复合材料，并对该复合材料的损伤机理进行研究。试验选择了不同的电流波形和预浸料铺层方式，对复合材料的损伤过程进行了详细研究。研究结果表明，复材最终的损伤面积与铺层方向上的导电性及电流参数密切相关，添加导电粒子有助于改善复合材料的雷电防护性能。

英国曼彻斯特大学、中央兰开夏大学和 Hay-dale 公司等多家结构协同合作，将石墨烯作为抗雷击添加剂，制作无人机机翼，以此来降低雷电对于飞行器的影响。目前该飞机已经在欧洲复合材料展上试飞亮相，进入实际使用阶段。

2. 6 导电树脂基体

目前飞机复合材料所使用的基体为环氧或双马树脂，均不导电，因此造成复合材料电导率低。近年来，导电高分子成为研究热点，如果使用导电高分子作为复合材料基体，可以在不借助纳米填料的条件下，实现复合材料导电性的快速提升。日本山形大学和东京大学航空航天系使用导电高分子聚苯胺替代环氧树脂，制备了新型碳纤维聚苯胺的抗雷击复合材料，树脂可以通过预浸碳纤维布后，采用热压成型。该研究还制备了碳纤维环氧层压板做比较，并对二者进行了 100 kA 的大电流雷击试验，试验结果如图 8 所示。

由图 8 ( a) 可知，纤维环氧层压板雷击试验后出现了比较严重的损伤，而碳纤维聚苯胺板材雷击试验后，只有电弧引入点出现损伤，显示出优异的防雷击伤性，试验结果见 8 ( b)［14］。

3 复合材料雷电防护建议

复合材料雷电防护是飞机设计的一项难点，近年来逐渐受到重视。文中建议设计单位在进行复合材料雷电防护时，应考虑以下内容:

( 1) 复合材料种类较多，有些方法只适用于特定的材料上，并且不同飞机型号的雷电防护要求不同，同一飞机不同结构的防护要求也不相同，因此在进行设计时，应根据材料的特点和飞机的防雷需求，选择合适的防护方法。

( 2) 目前复材雷电防护研究的热点额外的雷电防护措施会增加复材质量，从而增加复材自身电导率，实现结构防雷功能一体化; 此外复材雷电防护方法与屏蔽、高强度辐射场防护类似，因此建议在飞机设计时，将上述因素一并综合考虑。

( 3) 飞机大量使用复合材料后，内部电子设备更加容易受到的雷电感应的干扰，因此在复合材料飞机防护设计时，除了复合材料自身的防护之外，也要进行内部电子设备的雷电间接效应的防护工作。

4 结束语

复合材料在飞机上的使用越来越多，雷电对飞机的安全威胁就越来越大。我国在复合材料雷电防护措施主要是铺设金属网，对于新型的雷电防护措施研究较少，后期应重视该领域工作，加强飞机复合材料的雷电防护研究，保证飞机在复杂雷电环境中的安全。

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本文发表在《飞机设计》2021.2