引言

雷電是影響飛行安全的重要因素。在現(xiàn)代飛機(jī)的制造中，以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）為代表的先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用日益廣泛，同時(shí)使得雷擊防護(hù)問(wèn)題變得更加突出。

相比于傳統(tǒng)的鋁合金等金屬材料，CFRP 材料的電導(dǎo)率要低得多，遭受雷擊后能量的聚集及向材料內(nèi)部的釋放也要嚴(yán)重得多。在雷電流聲沖擊、焦耳熱、洛倫茲力等多種效應(yīng)的耦合作用下，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)會(huì)在表面形成明顯的可見(jiàn)損傷，并因電流向結(jié)構(gòu)內(nèi)部的注入和能量累積而形成更為顯著的內(nèi)部損傷，嚴(yán)重影響材料的結(jié)構(gòu)完整性和可靠性。

復(fù)合材料雷擊防護(hù)（LSP）的主要目標(biāo)是在結(jié)構(gòu)外部構(gòu)建一條安全的電流傳導(dǎo)路徑，確保絕大部分的電流僅停留在表面，并且能在不引起嚴(yán)重?fù)p傷的情況下迅速導(dǎo)走。傳統(tǒng)防護(hù)層防護(hù)方法主要是在復(fù)合材料表面附著一層具有高導(dǎo)電性的材料作為導(dǎo)電層，例如導(dǎo)流條、銅網(wǎng)等。除此之外人們也在探索更加輕質(zhì)高效的防護(hù)材料技術(shù)，例如碳納米涂層、樹脂基材料電性能改進(jìn)等。為準(zhǔn)確掌握雷擊致?lián)p機(jī)制、有效評(píng)估防護(hù)效果，大電流與復(fù)合材料作用過(guò)程的試驗(yàn)、測(cè)量和仿真技術(shù)也逐步發(fā)展和完善。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同側(cè)面對(duì)這領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了綜述。我們團(tuán)隊(duì)自 2011 年開(kāi)展復(fù)合材料雷擊損傷效應(yīng)方面的研究，在碳纖維復(fù)合材料的雷擊致?lián)p過(guò)程及損傷機(jī)理分析、電導(dǎo)率隨雷擊過(guò)程溫度變化特征、雷擊條件下多參量觀測(cè)等方面開(kāi)展了系統(tǒng)的研究。本文主要基于國(guó)內(nèi)外資料調(diào)研和我們實(shí)驗(yàn)室的研究成果，從 CFRP 材料雷擊效應(yīng)試驗(yàn)、分析及防護(hù)材料新進(jìn)展的角度加以回顧和分析。

1?復(fù)合材料雷擊防護(hù)方法

1.1傳統(tǒng)防護(hù)層方法

1.2新型抗雷擊復(fù)合材料

采用 LSP 防護(hù)層的傳統(tǒng)防護(hù)方法雖然行之有效，但仍然存在較大局限性。不僅會(huì)增加結(jié)構(gòu)重量，而且防護(hù)層的存在有可能會(huì)因妨礙樹脂汽化后的泄放而導(dǎo)致更嚴(yán)重的損傷。因此，新型雷擊防護(hù)復(fù)合材料也在不斷探索之中。這些材料通常是在保證結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能的情況下，通過(guò)在基體中加入具有更高導(dǎo)電性的粒子來(lái)改善材料的整體導(dǎo)電性，從而提高抗雷擊能力。

美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 Vipin Kumar 等人基于聚苯胺基導(dǎo)電樹脂制備了四種厚度方向電導(dǎo)率不同的CFRP 材料，結(jié)果表明，厚度方向電導(dǎo)率為 110 S/m 的材料雷擊后可保留 92% 的剩余彎曲強(qiáng)度。東京農(nóng)業(yè)技術(shù)大學(xué)的 Kamiyama 等人對(duì)環(huán)氧樹脂、雙馬來(lái)酰亞胺及聚醚醚酮三種不同基體的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行了雷電流 A 分量測(cè)試及損傷對(duì)比，結(jié)果表明，雙馬來(lái)酰亞胺及聚醚醚酮基體材料的抗雷擊性能要優(yōu)于環(huán)氧樹脂基體材料。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的 Z. J. Zhao 等人也研制了一種基于馬來(lái)酰亞胺基體的 CFRP 材料，并制備一種輕質(zhì)導(dǎo)電薄紗交織到 CFRP 材料中，在不影響靜態(tài)機(jī)械強(qiáng)度的情況下，顯著改善了厚度方向的電導(dǎo)率，提高了雷擊防護(hù)性能。西安交通大學(xué)的 Ben Wang 等人提出了一種滲透輔助樹脂膜輸注法，通過(guò)使還原氧化石墨烯在復(fù)合材料表面積聚來(lái)實(shí)現(xiàn)雷電防護(hù)，測(cè)試結(jié)果表明，此方法可顯著改善材料的雷擊防護(hù)性能，提高雷擊后的剩余強(qiáng)度，而且可以提高材料的耐熱性。Kuma 等人近期分析了復(fù)合材料雷擊損傷的影響因素，總結(jié)了不同組成成分及參數(shù)下的復(fù)合材料的抗雷擊性能。

從復(fù)合材料雷擊防護(hù)方法的研究情況看，對(duì)復(fù)合材料雷擊防護(hù)效果的評(píng)估，主要通過(guò)與未防護(hù)材料的雷擊損傷情況的對(duì)比進(jìn)行驗(yàn)證。受設(shè)備條件及實(shí)驗(yàn)成本等限制，不僅有些測(cè)試電流與標(biāo)準(zhǔn)

中要求的波形參數(shù)有較大差別，測(cè)試的樣本量也十分有限，因此傳統(tǒng)的損傷檢測(cè)途徑需要不同物理量的在線測(cè)量和仿真分析配合，以更好的理解與評(píng)價(jià)各個(gè)物理量的影響機(jī)制和防護(hù)方法的有效性。

2?復(fù)合材料雷擊致?lián)p效應(yīng)仿真分析

2.1復(fù)合材料雷擊通道接觸過(guò)程模擬

2.2復(fù)合材料雷擊多物理場(chǎng)耦合損傷效應(yīng)

3?復(fù)合材料雷擊致?lián)p過(guò)程特征參量觀測(cè)

4?復(fù)合材料雷擊在線監(jiān)測(cè)新方向

5?結(jié)語(yǔ)

復(fù)合材料在現(xiàn)代飛機(jī)制造中具有廣闊的應(yīng)用前景。但隨著其應(yīng)用范圍的增加，特別是擴(kuò)展到機(jī)身、機(jī)翼等與飛行安全息息相關(guān)的初級(jí)結(jié)構(gòu)中后，復(fù)合材料的雷擊防護(hù)重要性更加突出。隨著新技術(shù)的發(fā)展及加工工藝的進(jìn)步，新的 LSP 材料和方法不斷問(wèn)世，向著輕質(zhì)、高效、多功能的方向發(fā)展。為加快新材料的研發(fā)和應(yīng)用，需要進(jìn)一步完善復(fù)合材料雷擊防護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和性能評(píng)價(jià)體系；配合這一工作的開(kāi)展，需要同步加強(qiáng)雷電流對(duì)材料及防護(hù)層的作用過(guò)程的數(shù)值仿真方法和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)手段的研究。