碳纤维复合材料雷电防护特性仿真及试验研究

胡静 巩翰林 司晓亮 孙斌

摘要：为了研究不同防护方式下的碳纤维增强型复合材料（CFRP）层合板雷电损伤特性，针对无防护、喷铝涂层防护以及铜网防护的三种CFRP层合板注入D+B+C*雷电流组合波形，通过观察损伤区域、C扫描探测并结合电热耦合与电流密度分布仿真，研究不同防护方式下CFRP损伤特性。研究表明，CFRP损伤类型有树脂烧蚀、纤维断裂、分层等损伤形式。在注入组合波形后，无防护层合板损伤沿纤维方向，喷铝涂层防护层合板损伤呈近似圆形，铜网防护层合板损伤呈近似菱形，且喷铝涂层对CFRP的雷电防护效果最好，损伤面积为844.02mm2，损伤深度为0.43mm。电流密度的分布与损伤区域有很强的相关性，上层电流密度会影响下层铺层温度拓展。

关键词：复合材料；雷电流注入试验；防护方式；电热耦合；电流密度

中图分类号：V258文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.01.012

基金项目：航空科学基金（20184467016）

复合材料广泛应用于飞机主承力结构，近年来相关研究工作主要围绕飞机复合材料结构件的疲劳、冲击损伤以及损伤监测等问题，已经逐步发展出一系列应对和控制方法[1-4]。随着飞机结构复合材料占比越来越多，飞机在飞行中遭受雷击时，由于碳纤维增强型复合材料具有低电导率和导热系数的特点，遭受雷击后会发生树脂烧蚀、纤维断裂、分层等破坏现象，因此针对其雷击防护的研究具有科学价值和应用前景[5]。

SAE ARP5412[6]标准明确规定了雷电流直接效应的4种雷波形。考虑到飞机遭遇雷击后不同部位或结构的雷击强度不同，将机体划分为不同的区域，给出不同机体区域对应的雷电流组合波形[7]。国内外学者对碳纤维复合材料雷击损伤做了很多研究。Li等[8]使用不同铺层方式层合板进行不同雷电流波形的雷击试验，研究结果表明随着雷电流峰值增大损伤区域主要沿纤维方向拓展，并且层合板的铺层方式对损伤有很大影响。孙晋茹等[9]选择不同雷电流组合方式，研究雷电流分量对层合板损伤的影响，研究发现雷电流分量施加顺序是影响层合板损伤的重要因素。丁宁等[10]等也利用有限元分析雷击后碳纤维增强型复合材料（CFRP）层合板温度分布，研究发现铺层方式、树脂类型、电导率、热导率、雷电流峰值等因素都会影响CFRP层合板的损伤形式。对于CFRP层合板的雷击防护肖尧等[11]利用银粉改性等方式提高层合板雷击防护能力。郭云力[12]研究流新型镀镍碳纤维无纺布在雷电波形C和D分量下的雷擊损伤，结果表明镀镍碳纤维无纺布的防雷效果优于铜网。

在目前应用的CFRP雷击防护材料中，铜网、喷铝涂层在未来有着更广阔的应用前景。但是CFRP使用金属进行雷击防护不可避免地伴随着结构增重的问题，因此针对不同防护方式下CFRP的雷电损伤特性研究具有迫切需求。本文选择2A区雷电流组合波形D+B+C*对无防护、铜网防护以及喷铝涂层防护的CFRP层合板进行雷电流注入试验，观察雷击后损伤区域，通过损伤区域、C扫描图像、电热耦合仿真结果的比对，分析了雷电流组合波形D+B+C*作用下不同防护方式的雷电防护性能。最后，比较不同防护方式下电流分布与电热耦合，分析电流密度对损伤的影响。研究结果对CFRP的雷击防护有着重要参考和应用价值，能够为复合材料雷电防护设计提供理论基础和试验依据。

1复合材料层合板雷电防护试验研究

1.1试验件与试验设备

试验件的型号为QY9611/ZT7H，尺寸为300mm×300mm，碳纤维复合材料层合板的铺层顺序选取[45°/0°/-45°/90°/45°/0°/-45°/90°/45°/0°/-45°/90°]，共12层，每层厚度为0.128mm。通过无防护、喷铝涂层防护和铜网防护三种层合板研究雷电流对层合板的损伤。喷铝涂层和铜网防护CFRP层合板试样如图1所示。喷铝涂层防护层合板如图1（a）所示，铝层厚度为0.05mm，铜网防护层合板如图1（b）所示，铜网厚度为0.05mm，长截距为2.54mm，短截距为1.23mm，面积重量为73g/m2，形状参数如图2所示。

试验中使用能量产生符合标准要求波形的雷电流发生器系统，试验现场如图3所示。相关试验设备还有用来采集雷电流数据的数据采集系统，记录试验连接线路和试验件在雷击试验前后状况的参数采集系统，具体试验设备见表1。

1.2试验方法

1.2.1试验件夹持装置

试验件夹持装置如图4所示，上电极为直径50mm的铜质球状放电电极，根据SAE ARP 5414A[7]试验标准规定将电极与试件间隔调整为50mm，试件四边使用金属压板和夹具固定通过铝条将金属压板连接统一接地，试件放置在有绝缘材料的试验台上，试验时雷击点选择试验件表面中心点。

1.2.2试验波形

进行雷电流注入试验时，根据SAE ARP5414A[7]标准中划分的飞机雷电分区，所处不同分区的碳纤维材料或者结构件选择不同的雷电波形。不同雷电分区的雷电流波形见表2。

根据SAE ARP 5416A[13]标准中规定的试验流程以及方法选择D+B+C*的组合波形对三种层合板进行雷电流注入试验，雷电流注入试验完成后对试件进行无损检测研究不同防护方式下碳纤维复合材料的损伤特性。D+B+C*的组合波形图如图5所示。

1.3试验结果分析

1.3.1层合板损伤分析

对无防护、铜网防护以及喷铝涂层防护层合板注入雷电组合波形D+B+C*后损伤状况和C扫描图像如图6所示。

从图6中三种试件注入D+B+C*波的雷击后损伤形态和C扫图像可以看出：（1）在雷电组合波形的作用下，无防护的试件出现明显的分层损伤现象，如图6（a）所示，损伤区域发生树脂烧蚀，中间碳纤维为散乱的毛发状暴露在空气中，在雷电流注入点位置沿表层铺层方向（45°方向）纤维出现明显的膨胀断裂，损伤沿垂直纤维方向（-45°方向）逐渐减少，对比C扫图像来看两者损伤形貌相似。（2）试件铜网防护的层合板部分铜网被组合雷电流烧蚀损伤，如图6（b）所示，但碳纤维层合板的铺层结构完整。对比C扫图像来看，金属铜网的损伤形态近似成菱形，这是因为铜网形状为规则的菱形网格，长边和短边的分布使得防护层在水平上呈现出各向异性，因而损伤形状近似为菱形。（3）对于试件喷铝涂层防护的层合板，因为铝是各向同性的材料，如图6（c）所示，在各个方向上电导率相等，所以其损伤形状近似为圆形。由于铝材的电导率远高于CFRP层合板，所以在组合雷电流注入后会被高电导率的铝层迅速传导，对层合板的损伤较少。层合板也并未明显发生沿纤维方向的损伤拓展。

1.3.2层合板损伤面积和损伤深度

使用像素分析法对无损检测图像进行分析，可以得到不同层合板各层的损伤面积和损伤深度，以此对比组合雷电流对层合板的损伤。

从图7各层损伤面积和图8损伤深度可以看出：（1）对于三种不同层合板注入D+B+C*组合雷电流波形时，喷铝涂层的损伤面积、损伤深度最小、铜网次之，表明喷铝涂层对CFRP层合板的保护较好。（2）由图7可知，铜网防护的层合板金属防护层损伤面积为1689.53mm2，第一层层合板损伤面积为943.45mm2，损伤面积减少了746.08mm2，约为44%；喷铝涂层防护的层合板金属防护层损伤面积为844.02mm2，第一层层合板损伤面积为442.26mm2，损伤面积减少了401.76mm2，约为48%。（3）由图8可知，对于损伤深度来说，无防护的CFRP层合板损伤深度达到第9层（1.09mm）；铜网防护的CFRP层合板损伤深度达到第5层（0.78mm）；而对于喷铝涂层的CFRP层合板损伤深度达到第三层（0.43mm）。

对于金属铜网和喷铝涂层防护的CFRP层合板，在损伤深度和各层损伤面积上，喷铝涂层防护效果优于金属铜网。虽然金属铜的电导率高于金属铝的电导率，但是铜网存在大量空隙，单位面积防护层熔化、升华铝层会吸收更多的热量。

2复合材料层合板雷电防护仿真研究

2.1数值分析方法

雷电流注入时，CFRP层合板中的电场由Maxwell方程表征，积分表达式为：

雷电流组合波形在模型上表面中心点注入，定义复合材料、铜和铝材料属性[14]，仿真边界条件设置如图9所示。

2.3仿真结果分析

2.3.1电热耦合分析结果

对无防护CFRP层合板注入D+B+C*雷电流组合波形，各层温度分布如图10所示。CFRP层合板雷电流注入后温度的分布与电流和电导率、热导率的正交各向异性相关。表层温度分布沿45°纤维方向呈中间窄、两端较宽的条带状分布。第2～6层温度场呈面积逐渐减少的椭圆形，并且椭圆的方向与上一层纤维方向有相关性；第7层可以看出温度高于3000℃的红色区域以中心对称的近似圆形出现，随后变为中心对称的半圆形，最后形成椭圆形。

雷击后的无防护CFRP层合板C扫描图像温度场分布比图6第1层损伤面积要大，这是因为雷电流注入是多物理场耦合的结果，试验中除焦耳热之外还有冲击力影响。

由仿真各层温度场分布与C扫描结果对比观察到，各层温度发展方向与C描扫结果损伤拓展趋势一致且樹脂热解（300～500℃）形状都呈椭圆形分布，这也表明了仿真结果的有效性。

喷铝涂层防护的CFRP层合板电热耦合仿真分析结果如图11所示。在损伤的范围与形状上，仿真结果与试验结果基本吻合，图中红色部分温度高于2467℃，铝层在此发生汽化，带走大部分热量，而剩余的热量会向下传递到层合板上。喷涂铝层的损伤为近似的圆形，这主要因为铝为各相同性的材料，雷电流在注入过程中，均匀向四周扩散。

铜网防护的CFRP层合板电热耦合分析结果如图12所示。铜网防护的CFRP层合板没有完全显示温度分布，但是铜网上的温度分布有高度对称性，损伤近似为菱形；随着层数的增加温度分布也完全呈现出来，损伤形状逐渐趋向菱形。

由于铜网网格为规则的菱形，其具有各向异性，雷电流注入到铜网后电流主要沿着菱形铜网的长截距方向传导，因此位于雷电2区的铜网防护层合板应该将菱形铜网的长截距方向调整为与雷电流导出方向一致。

由图13可知，对无防护、铜网防护和喷铝涂层防护的CFRP层合板注入D+B+C*雷电流组合波形后CFRP层合板损伤深度分别为0.906mm、0.702mm和0.326mm，即铜网和喷铝涂层有着很好的雷击防护效果。仿真的损伤深度与试验结果具有较好的一致性，但是仿真的损伤深度略小于试验结果，这是因为实际试验中CFRP层合板除了雷电流的焦耳热效应，还会受到其他冲击效应的影响。

2.3.2电流密度分析结果

注入的高峰值D波在3μs会达到峰值电流100kA，此时的无防护层合板各层电流密度模如图14所示。

由于第1层上电流传导不会受到其他铺层的干扰，所以在3μs时刻下，电流的分布与首层纤维方向有很强的相关性，沿45°方向分布而且温度场分布也沿45°方向。可以发现第5层电流密度高于其他层。这是因为在第1～4层发生纤维断裂的破坏，使得雷电流向下传递，3μs时雷电流传递到第5层。

雷电流从纤维方向45°的第1层向下传递，传导到第2层的纤维方向为0°，随着第1层沿45°方向进一步损伤，由第1层向第2层传递的电流呈45°方向，第2层的电流受到第1层的影响，电流密度分布在0°～45°之间。

对于3μs时刻铜网防护和喷铝涂层防护温度分布和电流密度如图15所示。

由于喷铝涂层是各向同性，所以电流在注入点处均匀传递，铜网为各向异性，在防护层上电流和温度近似呈菱形分布。在3μs时，铜网和铝层均达到升华温度，但是由于损伤处的电导率小于防护层的电导率，所以电流依然会在防护层上传递。

3结论

通过研究，可以得出以下结论：

（1）在雷电流组合波形D+B+C*组合电流的冲击下，CFRP层合板出现树脂烧蚀、分层、纤维断裂等损伤，损伤沿纤维方向分布。

（2）当使用喷铝涂层和铜网防护时，层合板损伤会大大减少。铜网形状为规则的菱形，在铺层方向具有各向异性，而喷铝涂层具有的各向同性电流均匀向四周拓展。相同厚度的铝层和铜网，喷铝涂层的防护性能更好，由铝层到层合板，损伤面积减少达到48%，损伤厚度为0.43mm。铜网防护的层合板位于雷电1区和3区时，应该将菱形铜网长截距方向与雷电流导出方向一致。对于无防护、铜网防护和喷铝涂层防护的CFRP层合板雷击后的损伤深度，仿真结果略小于试验结果，具有较好的一致性。

（3）损伤趋势与铺层方向、CFRP复合材料各向异性材料属性高度相关。在无防护层合板中，当上一次碳纤维断裂后电流进入到下一层时，上一铺层电流密度分布会影响到下一层的温度拓展。喷铝涂层和铜网防护的层合板，当防护层温度达到升华温度时，周围的电导率依然大于损伤区域电导率所以电流不会向无防护层合板第一层向下传递，会继续在防护层上传递。

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Simulation and Experimental Research on Lightning Protection Characteristics of Carbon Fiber Composites

Hu Jing1，Gong Hanlin1，Si Xiaoliang2，Sun Bin1

1. Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China

2. Hefei Aerospace Electric Physics Technology Co.，Ltd.，Hefei 230031，China

Abstract： In order to study the lightning damage characteristics of Carbon Fiber Reinforced Plastics（CFRP） laminates under different protection modes， this paper focuses on the combined waveforms of D+B+C* lightning current injected into three CFRP laminates with no protection， aluminum spray coating protection and copper mesh protection. The damage characteristics of CFRP under different protection methods are studied by observing the damage area， C-scan detection， coupled with electrothermal coupling and current density distribution simulation. The results show that the damage types of CFRP include resin ablative， fiber fracture and lamination. After the composite waveforms were injected， the damage of the non-protective laminates along the fiber direction is approximately round in the aluminum coating and rhomboidal in the copper mesh. Moreover， the aluminum coating has the best lightning protection effect on CFRP， the damage area is 844.02mm2and the damage depth is 0.48mm. The distribution of current density has a strong correlation with the damage area， and the upper current density will affect the temperature expansion of the lower layer.

Key Words： composites； lightning current injection test； protection mode； electrothermal coupling； current density

3971500338212