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碳纤维增强的防雷塑料-概述

Christian Karch 和 Christian Metzner

空客集团创新

81663 德国慕尼黑

christian.karch@airbus.com

摘要：随着人们越来越喜欢构建性能更好的飞机，越来越多的组件被设计成轻量级碳纤维增强塑料结构。不管怎么样,碳纤维增强塑料比铝合金有更小的导电率和导热率, 已用于飞机和航空航天建设。没有特别设计的碳纤维布加固结构的特点是容易切断雷击损坏。此外, 电磁场可以通过更少的电渗透在碳纤维增强塑料的部件进入飞机。因此,有必要采取防雷和电磁屏蔽措施。这次研究概述雷击现象对碳纤维增强塑料结构的损伤和防止电击的解决方案。先进聚合物等材料比如纳米分散相或石墨烯增强复合材料是作为轻量级、多功能保措施的有前途的候选材料,但进展不大。

关键字：雷击保护,直接影响,碳纤维增强塑料结构

简介

闪电击中一架飞机是一种罕见的事件,但它确实经常发生,它应该被视为迟早肯定会发生的。它通常是假定每个运输机每年至少会被闪电击中一次。在雷击发生时，闪电电弧回合飞机表面直接接触。

这项研究提供了一个雷电的简短概述，雷电破坏碳纤维增强结构的现象和当前防雷的解决方案。如今碳纤维增强塑料结构广泛应用于飞机设计中，为的是降低整体重量和增加机体零件的特定力学性能。因此, 这里的主要重点是防雷 (包括主要措施适用于碳纤维增强塑料机身部分和二级结构)。

雷电和飞机的相互作用

在正常情况下，电击穿空气发生在3000 k V / m的电场强度。这个值取决于周围6000米的空气密度。雷云电场通常远低于这些值，还有如此高的电场强度只会发生在雷电梯级里面的优先级。一架位于雷云电场的无电荷的飞机或者即将来到电云场的飞机将成为导电的优先级，在飞机表面附近的数值将变大，比如翼尖，空速管，鼻子尖和边缘短舱等表面曲率足够高的地方,见图1。

图1所示。二维静电场的一架飞机在100 k V / m环境领域。图中的数值表明,由于3 rd维度的曲率将增强这些值。

3 d数值模拟表明电场增强超过周围数值一百时会发生在特定方向的移动[1],[2],[3]。因此,在这些特殊的方向电场低至30至300 k V / m 足以引起飞机的尖端部分发生电晕崩溃。 这电晕破裂会从飞机的尖端双向的发展到各部分。 高电压下降时，会迅速在尖端部分下降，众所周知，高电压传导速度甚至低电压的传导大约有60到700KV/m。摩擦可以在飞机上产生净电荷。根据电压极性知道这个净电荷增强或者减弱电流的形成。

闪电电流的波形

测试电流波形中定义 ARP5412是目前可用的最好的闪电数据和分析。几个电流波形表示飞机在理想化环境中定义的分析和测试。雷电流组成的当前组成部分A,B,C,D和H,多次放电 (MS)和多个破裂(MB)波形集。用于评估闪电的直接影响的组件组成,见图2。

图2。返回波形电流组合。

在扫描行程，电荷附着的时间相对较短 所以,只有一小部分的组件C电荷转移到一个特定的附着区域。停留时间是一个至关重要的参数,是飞机速度和类型的参数，也是机身上的电介质涂料类型和厚度结构的参数。根据ed - 84[7]20 ms的停留时间应该是足够的(这是我们方法)。通常假定停留时间在20到50毫秒之间。在欧洲，50ms的停留时间被广泛认为违约,这会导致总电荷 10 C(当前部分B的贡献值) 45ms x 400A = 28 C. 这个是金属结构的融化和穿刺最重要的参数。

在一个测试里面，当前波形可以单独应用,也可以组合两个或多个部分：

A部分对应于所谓的“第一个返回行程电流”.

B部分代表了“中间电流”

C部分描述了“持续电流”

D部分代表所谓的“再次击穿电流”

一个分析出来的特点就是电流波形可以用于评估直接影响可以在其他地方发现,例如[8]。

B.分区的概念

当一架飞机被闪电击中,电流通过飞机。因此有一对入口/出口点的定义。在这些点上，闪电通道是直接与机体结构接触一段时间的。 这些点被定义为初始附着点。

当飞机被击中时,闪电电流通过通道进入飞机。在此期间，飞机的移动明显比静止的闪电大。一个机身表面的连接点相对闪电通道是移动的,导致通道部分的延伸,如图3所示。电势在电弧长度里面随着AC交流电流距离而增加，直到飞机表面和电弧之间的差距变大,然后形成一个新的连接点。这个过程以电弧来回扫描中断的方式来持续进行的。在电介质涂层表面上, 局部的几何性状和当前波形对停留时间的影响很大。整个过程就是生成一系列的离散连接点[9]-[12]。闪电分区的目的是确定飞机的表面可能经历的闪电连接点。根据欧洲民用航空设备组织ED - 91参考标准[13]飞机表面可以分为不同的区域,如下所示：

区域1飞机表面有一个高初始概率闪电弧连接点(人口和出口区域)

区域2 飞机表面有一个高概率被从区域1的初始连接点的闪电扫过的地方

区域3 该区域包括除开区域1和区域2以外的所有剩下的部分。在这个区域闪电电弧出现的概率比较低。然而，区域3可能通过闪电电流之间的直接传导连接(出入境)点带来大量闪电电流。

图3：在飞行的飞机上的扫描过程

区域1和2进一步细分为A和B区域, 这取决于闪电弧是否长时间停留。A区域有着比较低的闪电弧保持连接概率，B区域是有比较高的闪电电弧保持连接概率。最后一个额外的区域定义为1 C区域,“由于沿着闪电通道电流参数和时间的变化而采取全面扫描飞机表面的连接点，减低了飞机的危险”[13], [14]。

任何一架飞机上的雷击的位置取决于飞机的几何形状和操作因素。这个标准规则在欧洲民用航空设备组织的ED-91中已经给出。在参考文献[15], [16]给出了一个比较合适的综述，关于飞机分区的概念和飞机分区区域的测定数值。；闪电的电流已经应用于在实验室里面进行取决于考虑机体部分位置的结构损伤评估（在 飞机分区区域）。

1A区域 A B C*( C*是一个简化的C组件)

1B区域 A B C D

1C区域 Ah B C*.Ah的冲量对应于一个laquo;低 raquo;A冲量

2A区域 D B C*

2B区域 D B C

3 区域 A C 闪电电流通过传导被应用。

当金属机身皮被复合碳纤维增强塑料面板所取代，就会出现一个问题，机身部分电导率的降低是否会影响飞机分区的过程。计算分区程序基于静电场计算和直到现在不要考虑材料的有限电导率[16]。在70年代的晚些时候，实验评估了石墨环氧树脂复合材料的闪电连接[17]。所有的闪电测试结果显示：“不可以衡量金属和石墨环氧树脂复合之间的连接点的行为差异”。为了模拟有限导电率的影响,通过解决完整的麦克斯韦方程实现了一种新方法[18]。模拟的结果显示电荷在复合机体表面上再分配时，不会出现损伤。这些结果表明复合材料飞机的第一个连接区域和金属材料飞机一样，不需要改变。

C. 损伤机制

雷击会导致机体结构损害的几个不同物理机制:

热效应：

由于电流的电阻热效应会加热导电结构[1]

从高温等离子体通道直接输入热量[19]

热辐射的热等离子体传导

最近的调查表明,热辐射的贡献是微不足道的, [20], [21]。

机械力的瞬间作用

热等离子体超音速扩张的冲击波 [22]

磁力

材料爆炸的冲击波[24]-[26]

一些影响可以量化[22], [23], [25], [26], [27], [28]; 一些仍然不能量化，因为它们取决于一个复杂的瞬态等离子体之间的界面相互作用，包括热等离子体在复合结构的传递，外加电流和热机械复合结构的动态行为。在最近的一份刊物中[29]，纹影摄影通过闪电放电在无保护的碳纤维增强塑料层压制品，可视化闪电放电所产生的冲击波。冲击波从绝缘分流球体传播。而且观察到“碳纤维增强塑料表面上的多个点产生冲击波，除了闪电连接点以外”[29]。这强烈表明,环氧树脂的蒸发会产生冲击波。在测试中使用一个铝样品，观察到冲击波只从闪电的单一景点波向外传播。结果支持冲击波在瞬变电流组件里面会导致碳纤维增强塑料层压制品的机械损伤的假设。

这是现在普遍接受的

周围的严重的机械损伤和闪电接触碳纤维增强塑料零部件发生在电弧蒸发材料接触区，主要原因是这里的瞬变电流和爆炸所产生的冲击波[24], [25], [26], [28], [29]。热等离子体的超音速扩张传递引起的冲击波和外加电流的流动引起的电磁力的贡献不能完全被忽视[28], [30]。磁力的贡献也应该被考虑。

电介质涂层在金属防雷层的厚度和机械性能，对碳纤维增强塑料机身结构会产生热机械性能的破坏作用[24], [25]。

碳纤维增强塑料结构损伤的程度可以通过增加表面展开铜箔的重量和增强碳纤维增强塑料结构的强度来减少[26].

GFRP 分离层一般不会妨碍电流防护层在加固结构的碳纤维层厚度。

如果闪电电流可以穿透绝缘层,碳纤维增强塑料层形变场的损害程度甚至会放大[31]。

最后,碳纤维增强塑料的机械损伤程度和油漆表面的不饱和重量是有着一定的关系。

D 电阻焦耳加热

闪电电流能量流在飞机结构以热量的的形式消散。所谓的人工智能是一个确定的重要雷电流参数——在一定近似的程度，焦耳加热(当忽略任何温度的依赖关系 材料属性和任何潜在的材料阶段 转换和材料各向异性)和结构的增加温度[1]。因为他们的高电流振幅,瞬变电流分量和D 积分最高的行为,将产生更多的热量和更大的体积，因此当流过低导电率的机身部分时，会有更高的物质温度。

要重点注意的是,碳纤维增强塑料不能被认为是均质各向同性材料。碳纤维的电和热导率，热膨胀系数都是各向异性,所以,单方向的厚度以及体积分数的碳纤维和环氧树脂的数量是影响材料的因素，碳纤维增强塑料的分层,导致与时间和温度有关的各向异性。因此,不同的碳纤维增强塑料部件的有效属性有所不同的，对它的一般性质的解释也是不同的。然而,碳纤维增强塑料和铝合金之间有着本质的的区别:

1. 碳纤维增强塑料的导电率至少是低于铝合金的3倍。
2. 碳纤维增强塑料的表面电阻率高的原因是碳纤维增强塑料/碳纤维增强塑料或碳纤维增强塑料/金属界面很难达到良好的电接触。
3. 可以通过层压板的不同角度放置可以稍微减少各向异性。
4. 在电弧连接点通过的电弧电压，碳纤维增强塑料对铝合金有更大的能量输入。

有趣的是电弧的热转移和样品表面与在流量样本内卷弧根下电流产生的焦耳热之间的联系。可以使用电弧的电荷转移大约估计电弧产生的热量[19], [21],

[32], [33]。如果我们假设电流密度在导电层是均匀的，那么电弧根下产生的焦耳热可以大约估计出来,[8], [23]。这样的评估并没有给出确切的值,但数据的大小顺序是正确的。然而,结果表明：

• 碳纤维增强塑料板层部分的瞬变电流产生的焦耳热的比扩大铜箔的防雷层要大的多
• 碳纤维增强塑料层的瞬变电流产生的焦耳热明显大于由电弧直接沉积的能量。
• 中间B和C持续组件的电弧的沉积能量是比得上碳纤维增强塑料叶片产生焦耳热。

因为现在公认碳纤维增强塑料部分的严重机械损伤主要源自生成的焦耳热，所以现有“尝试”的防雷的措施有减少碳纤维增强塑料的电阻，机身表面部分通过加入高导电金属层或通过添加导电金属颗粒，电介质涂料或在机身部分加入树脂矩阵的碳纤维增强塑料。

为了评估可能的增强碳纤维增强塑料的高导电粒子的导电性，可以使用简单的混合规则,给定一个较高的数值。单个粒子的体积分数应该高于渗流限制。使用罗斯混合规则上的值组合 铝、银，可以估计碳纳米管的颗粒约6.1 x100000 , 1.21 x1000000和2.01 x1000000S / m假设 UD碳纤维增强塑料叶片的电导率是10 4 S / m 卷导电粒子含量高于渗流限制,（但不会超过5%,因为更大的外加剂不利 环氧树脂的力学性能和影响，因此设置这个组合)。这实际上是一个增加碳纤维增强塑料薄板的导电性的巨大理论。实际上，然而,这些价值因为电接触阻力位在不同的导电粒子的接口而无法实现。一般来说,导电粒子的贡献显著降低要至少一个数量级；真正的导率才可以增加,但复合材料在10000 到10 0000 S / m时,绝对满足不了防雷目的。然而, 添加导电粒子增加了电气(和碳纤维增强塑料的热)垂直于纤维方向的导电率；这种变化可以帮助减少边缘发散现象,减少由热损伤引起的碳纤维增强塑料机身部分负荷。

III. 复合材料的防雷措施

雷电防护的目的是减少复合结构的形变的损害程度到一个可接受的水平, 可接受的程度的具体的定义可能取决于设计、使用和位置 机身复合结构。关键的机身区域的是闪电电弧(区域1和2)和装配区域。

选择最合适的闪电保护措施要考虑有很多技术和商业问题，除此之外还有

• 普通的防雷效果
• 复合材料的电化学兼容性
• 复合结构和电介质

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