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复合材料防雷金属网的应用
浏览: 发布日期:2019-04-19

雷电是飞机飞行过程中经常会碰到的一个问题,飞机每飞行1000到10000小时可能会发生一次雷击,而对于一架商用飞机每年大约会发生一次雷击。通常由铝制成的金属飞机可安全使用数十年,因为金属飞机的自身的导电性足以保护飞机免受雷击。但当雷击或雷电流通过复合材料结构时,会造成此复材结构脆化,分层或断裂。而且复合材料结构件损伤最严重的部位通常是能量密度最高的雷电流入点或出点。目前国内外航空工业研究的重点是如何加强复合材料部件的防雷击保护(LSP),从而减少或消除雷电流损害。

 

复合材料飞机主要使用碳纤维复合材料(CFRP)和玻璃纤维复合材料(GFRP),碳纤维复合材料主要用于飞机蒙皮、机翼、副翼、垂尾、平尾、发动机短舱、燃油箱、直升机叶片等承力结构,玻璃纤维复合材料主要用于雷达罩、天线罩等需要透波的结构。两种复合材料的导电性能差异很大,因此其雷电防护方法也有很大不同,玻璃纤维复合材料主要采用金属导流条和片段式导流条进行雷电流防护,碳纤维复合材料主要采用火焰或等离子喷涂铝、防雷金属网进行雷电流防护。由于防雷金属网具有重量轻、柔韧性好,可在复合曲率表面铺贴以及优异的防雷效果等优点,防雷金属网已经成为碳纤维复合材料结构件雷电流防护的主要方法。但是国内外对防雷金属网选型及应用工艺研究的比较少。本文将介绍防雷金属网的结构和,选择依据,使用方法以及防雷金属网防护效果的判断方法和标准,以便在碳纤维复合材料上更好地进行防雷金属网的应用。

 

 

1. 雷电防护原则和目标

飞机在起飞,着陆或穿过云团时都可能会遭遇到雷击。雷电放电可能发生在云地之间、云云之间、地云之间或者云内,而飞机遭遇的大多都是云内闪电。当雷电击中飞机的机头,翼尖或其他突出部位时,雷电流将通过其电气回路中可能的最短且导电性能最好的路径传播并从飞机的另一端导出。通常,飞机外表面电导率越高,雷电流扩散越快,能量集中现象越小,损伤越小,因此碳纤维复合材料雷电防护的主要目标是在外部结构上提供安全的导电路径,使大部分雷电电流保留在外部并快速导出。

 

碳纤维复合材料雷电防护的主要目标是防止雷击的直接效应影响:灾难性的结构损坏,对乘客的危险电击以及飞机飞行控制能力的丧失。碳纤维复合材料雷电防护的次要目的是为飞机提供EMI屏蔽和Hirf防护,防止空间电磁场对飞机通信和电子设备。

 

 

2. 雷电防护金属网介绍

对于CFRP结构,通过在CFRP外表面上铺设防雷铜网或防雷铝网提供雷击保护。防雷金属网应采用非编织形式的金属网,不能使用金属箔片或编织金属网。

 

防雷金属网具有四个重要的几何参数是:长菱边(LWD)、短菱边(SWD)、厚度以及梗宽。通过改变金属网的几何结构可以改变防雷金属网的电导率。因此,同等重量,不同结构的金属网可以实现不同的导电率。经过测试,进口某型420g/m2铜网的长边电阻率和短边电阻率分别是2.93×10-8Ω•m、8.15×10-8Ω•m,国产ABEMM系列420g/m2铜网的长边电阻率和短边电阻率分别是3.12×10-8Ω•m、5.26×10-8Ω•m。图1所示是进口420g/m2铜网和国产ABEMM系列420g/m2的铜网损伤结果仿真对比,可以看出国产防雷铜网的损伤面积(图1a)明显小于进口防雷铜网的损伤(图1c),而且国产防雷铜网复合板碳纤维的损伤面积和损伤深度(图1b)也小于进口防雷铜网复合板碳纤维(图1d)。结果表明,同等重量的防雷金属网,国产铜网通过合理地金属网结构的优化设计,可以实现更好的防雷效果。