不同防护形式复合材料板雷击损伤分区特性

不同防护形式复合材料板雷击损伤分区特性

周晓东赵琨浩

周晓东赵琨浩

北京清华长庚医院北京102218

摘要：本文开展了不同防护形式复合材料板雷击试验。考虑放电通道物理特性，分析放电通道与复合材料表面间的作用过程，将复合材料表面损伤区域分解成初始附着区、附着传导区、附着扩展区、二次附着区和扫掠损伤区，并对未防护基准件、局部喷铝、全喷铝防护件及铜网防护件４类板的各区域进行了损伤特性分析。

关键词：雷击试验；复合材料防护；放电通道物理特性；雷击损伤区域划分

复合材料因具有优异的比强度和比刚度而越来越被广泛地应用于飞机结构，但也因其电磁屏蔽性能的缺失使得复合材料飞机更严重地暴露于雷电的威胁之下。笔者所在项目组也通过数值分析和试验对飞机复合材料雷击问题开展了大量研究，分析与试验结果吻合较好。

1复合材料表面损伤分区

在放电通道与复合材料板附着初期，复合材料板表面感应和积聚的电荷与通道电荷急剧中和，瞬间产生巨大焦耳热量ＱＪ，造成复合材料表面的基体汽化燃烧、纤维升华及断裂，复合材料表面容易出现烧蚀坑，形成初始附着区（IAA）。

在复合材料板雷电附着的初始阶段，由于通道的对称性，在复合材料附着表面附近容易感生出对称分布的感应电荷。但感应电荷更容易沿阻抗远低于横向和厚度方向的纤维方向传导，与雷电通道电荷发生剧烈的电荷中和，释放出大量的焦耳热。焦耳热的急剧累积使得通道初始附着区的复合材料在纤维方向出现了基体的熔融、汽化和烧蚀，纤维发生升华、烧蚀和断裂。沿纤维方向远离初始附着区，电流密度降低，焦耳热效应随之降低，复合材料的雷电流损伤模式逐渐变为基体分解、熔融和炭化，复合材料分层、纤－基分离。如此，便沿复合材料表层纤维方向形成附着传导区（ACA）。

在通道沿复合材料表面横向扩展初期，放电通道在库仑力和热膨胀压力的共同作用下，靠近复合材料表面的放电通道根部贴近复合材料表面附着区，持续沿复合材料板横向扩展。放电通道根部前锋电荷与板间距较小，容易发生正负电荷中和，释放出大量焦耳热，从而在复合材料表面形成纤维烧蚀、断裂，基体分解、熔融、炭化等，形成附着扩展区（AEA）。

随着雷电能量持续由放电通道注入复合材料，在初始附着区的焦耳热持续产生，放电通道沿表层横向也在持续膨胀扩展，逐渐呈现“葫芦”型。但雷电流波形幅值在降低，通道电荷密度在减小，致使复合材料表面的感应电荷密度亦在减小，从而导致“葫芦”型通道的前锋与复合材料表面间的库仑力Ｆｑ降低。当横向扩展的“葫芦”型通道前锋电荷与复合材料横向表面积累的相反电荷间的电场强度达到或超过间隙的击穿电场临界值Ｅｃ＝1~3KV／ｍｍ时，发生间隙击穿，放电通道在复合材料表面发生二次附着，形成二次附着区（RAA）。

2不同防护形式雷击损伤分析

2.1复合材料基准件

对于正交各向异性的复合材料基准件，纤维方向的电导率远远大于横向和厚度方向的电导率，初始附着在试验件的雷电流将主要沿着表层复合材料的纤维方向传导。在放电通道初始附着区根部，由于洛伦兹收缩力的作用致使通道焦耳热ＱＪ急剧增加，温度Ｔ急剧升高，瞬间可以高达3000Ｋ，致使初始附着区基体瞬间熔融、汽化、喷射和燃烧，纤维瞬间升华、烧蚀并出现断裂起毛现象，形成IAA。

在复合材料表面，电阻与复合材料纤维方向长度成正比，远离附着区的电势逐渐减小，沿纤维方向的电流密度逐渐降低，使得雷电流在纤维方向的焦耳热逐渐降低，继而沿表面纤维方向复合材料损伤逐渐变为分层及表层剥落，形成ACA。由于基准件表面未作任何防护，致使大量的雷电能量在附着区附近以焦耳热的形式消耗掉，剩余能量不足以出现扫掠和二次附着现象。雷电流在复合材料基准件中部造成表面直径约为120ｍｍ明显损伤的区域。

2.2局部喷铝试验件

对于局部喷铝防护试验件可以发现，雷电流直接附着在铝层防护带的十字中心部位，0.2ｍｍ的初始附着位置稍微偏离中心部位。局部喷铝试验件雷电流的波及范围最广，但雷电流对复合材料的表面损伤程度较基准件的轻，尤其是0.2ｍｍ局部喷铝试验件，表明局部喷铝形式和厚度影响雷电流在试验件表面的覆盖范围。

在铝层传导区，随着电流密度的降低，喷铝层的损伤程度逐渐降低，在铝层熔融汽化严重区域，雷电流沿板厚度方向导入复合材料，所产生的焦耳热引起复合材料分层和基体炭化。上方的铝层传导区附近还存在小面积的复合材料传导区，这是由于该区域喷铝层熔融汽化程度高导致雷电流直接在复合材料表层纤维方向上传导。

2.3全喷铝试验件

对于全喷铝试验件，与局部喷铝类似，当铝层在雷电流焦耳热效应作用下熔融、汽化消失后，雷电流便直接附着在复合材料表面产生焦耳热，并在复合材料表面造成基体熔融、汽化、烧蚀和纤维升华、断裂，形成IAA。

在初始阶段，膨胀前锋电荷与复合材料横向表面电荷发生剧烈的电荷中和而释放焦耳热，使得复合材料表面基体熔融炭化、复合材料分层，形成AEA。对于0.1ｍｍ全喷铝试验件，在附着扩展区发生基体炭化、纤维断裂和材料分层；而对于0.2ｍｍ全喷铝试验件，附着扩展区仅发生铝层熔融汽化，复合材料只出现轻微的基体炭化。随着雷电流在铝层和复合材料中的传导，雷电流幅值减小致使膨胀前锋电荷与复合材料表面横向感应电荷间库仑力Ｆｑ也在减小，从而使得通道前锋与复合材料板间距增大，致使通道与板间电荷中和效应降低。但雷电流在复合材料板的传导中仍持续产生焦耳热，使得放电通道持续膨胀。当通道膨胀前锋电荷与板表面感应电荷间电场强度值达到或超过间隙击穿电压时，间隙击穿，通道在复合材料板表面发生二次附着，形成RAA。

2.4铜网防护试验件

对于铜网防护试验件，铜网镶嵌在复合材料表面，使得其表面比基准件和喷铝试验件的表面粗糙。类比尖端放电形成机理，粗糙表面的许多微凸起尖端容易积聚电荷。表面越粗糙越容易使得电荷在表面累积，且容易使得表面电荷分布不均匀。随着雷电流在铜网和复合材料中持续传导，电流峰值降低，通道膨胀前锋与板间距离增大，能量传导以热对流和热辐射为主。前锋与板间电场达到或超过击穿电压时，放电通道在复合材料板表面形成RAA，由于铜网导电性好且二次附着的雷电流峰值较低，该区域出现铜网熔融和基体炭化损伤。在Ｉ号区和初始附着区之间形成SDA，该区域的损伤主要以表面基体炭化为主。

结论

（1）复合材料板表面损伤是强电磁场条件下放电通道热电物理特性与复合材料表面热电特性及电荷分布的共同作用结果。可以将复合材料表面损伤区域分解成初始附着区、附着传导区、附着扩展区、二次附着区和扫掠损伤区。

（2）在相同试验条件下，复合材料各试验件因防护方式不同导致复合材料板表面的损伤区域不同。基准件和局部喷铝防护件未出现二次附着区和扫掠损伤区，全喷铝和铜网防护件出现了二次附着区和扫掠损伤区。铜网防护件的二次附着区最为明显，但二次附着区损伤程度较全喷铝试验件损伤程度轻。

（3）铝层厚度、喷涂形式及其喷涂均匀程度影响复合材料试验件的损伤程度和损伤分区特性。铜网试验件表面较粗糙容易造成复合材料板表面电荷累积且分布不均匀，从而在其表面形成多个二次附着区。

参考文献：

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