胡 好， 姚 紅， 司曉亮， 仇善良， 段澤民

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.中航工業(yè)合肥航太電物理技術(shù)有限公司，安徽 合肥 230031）

在現(xiàn)代航空航天技術(shù)中，為減輕航天器質(zhì)量和提高飛機(jī)測(cè)控系統(tǒng)性能而采用的復(fù)合材料技術(shù)和微電子測(cè)控技術(shù)對(duì)雷電更敏感，遭到雷擊時(shí)損失更大［1］。我國(guó)研制的新支線客機(jī)中，飛機(jī)機(jī)翼、后機(jī)身及尾翼等結(jié)構(gòu)大多選用復(fù)合材料，復(fù)合材料的雷電防護(hù)研究具有重要的工程意義。近年來，考慮到飛機(jī)雷電安全問題，民航飛機(jī)適航審查中增加了雷電項(xiàng)目，以減少或降低雷電對(duì)飛機(jī)的影響和破壞。通常，飛機(jī)復(fù)合材料板遭受雷電流的沖擊破壞發(fā)生在一個(gè)極短的時(shí)間內(nèi)，這個(gè)過程涉及了雷電流的焦耳熱、電弧燒蝕以及沖擊波等雷電過程對(duì)材料的破壞作用。文獻(xiàn)［2］對(duì)雷擊損傷作了定性的描述。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)復(fù)合材料的應(yīng)用［3－4］及一般燒蝕損傷進(jìn)行了大量研究［5－7］，而對(duì)于復(fù)合材料遭受雷電流的燒蝕損傷研究較少。文獻(xiàn)［8］利用試驗(yàn)方法研究了復(fù)合材料層合板在不同脈沖波形的雷電流作用下的損傷，并通過無損檢測(cè)技術(shù)探測(cè)層合板內(nèi)部損傷，結(jié)果表明，不同沖擊參數(shù)下的雷電流產(chǎn)生的焦耳熱對(duì)復(fù)合材料層合板破壞方式產(chǎn)生很大影響。文獻(xiàn)［9］利用有限元軟件ABAQUS熱－電模塊建立層合板模型，從雷擊熱效應(yīng)角度對(duì)碳纖維復(fù)合材料層合板的雷擊損傷進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了碳纖維復(fù)合材料的損傷機(jī)制。但其施加在復(fù)合材料的波形卻是單一的雷電流分量A，且部分參數(shù)要求沒有達(dá)到SAE ARP5412［10］（Society of Automotive Engineers Aerospace Recommended Practice 5412）的規(guī)定，而為了模擬真實(shí)運(yùn)行的飛機(jī)遭受雷電沖擊情況，根據(jù)IEC（International Electrotechnical Commission）和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，進(jìn)行此類試驗(yàn)所使用的沖擊電源應(yīng)為組合波發(fā)生器［11－12］（Combination Wave Generator，簡(jiǎn)稱CWC）。目前，有部分學(xué)者研究組合波形發(fā)生器及其控制系統(tǒng)單元，但僅局限于ATP（The Alternative Transients Program）程序軟件仿真階段［13］，這種仿真結(jié)果大多數(shù)與真實(shí)的工程試驗(yàn)差距很大。因此，組合波形發(fā)生器的研制仍是研究雷電流對(duì)復(fù)合材料影響的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

本文利用研制的組合波發(fā)生器產(chǎn)生雷電流B、C、D分量［10］對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料板進(jìn)行雷電流直接效應(yīng)試驗(yàn)研究，采用復(fù)合電流分量能更真實(shí)地反映雷電流對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料的影響，能對(duì)復(fù)合材料板的雷電直接效應(yīng)防護(hù)能力進(jìn)行更準(zhǔn)確的驗(yàn)證和評(píng)估。本文驗(yàn)證和研究了不同防護(hù)方式及不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料板的雷電損傷及其防護(hù)優(yōu)劣性。

試驗(yàn)結(jié)果表明，相同的防護(hù)方式下，碳／環(huán)氧層壓復(fù)合材料板比碳／環(huán)氧NOMEX蜂窩夾芯復(fù)合材料板遭受雷電流時(shí)損傷面積較大；相同結(jié)構(gòu)下，表面貼銅網(wǎng)防護(hù)方式的損傷平均面積低于表面涂PUB抗靜電涂料防護(hù)方式的，特別是碳／環(huán)氧NOMEX蜂窩夾芯復(fù)合材料板，表面貼銅網(wǎng)效果是顯著的。本文試驗(yàn)方法可為其他復(fù)合材料雷電流直接效應(yīng)試驗(yàn)提供參考，為今后完善復(fù)合材料設(shè)計(jì)及造型提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)描述

1.1 試驗(yàn)波形要求

現(xiàn)有國(guó)際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)SAE ARP5412［10］給出了雷電流直接效應(yīng)沖擊試驗(yàn)的電流分量波形A、B、C、D，其波形及相關(guān)參數(shù)如圖1所示。用于分析目的，SAE ARP5412中對(duì)規(guī)定的A、B、D電流分量給出了雙指數(shù)形式的數(shù)學(xué)表達(dá)式，分別為：

其中，Ia、Ib、Id為電流常數(shù)；αa、αb、αd為波尾時(shí)間常數(shù)的倒數(shù)；βa、βb、βd為波前時(shí)間常數(shù)的倒數(shù)；t為時(shí)間。

用于分析目的，電流分量C一般為矩形波，電荷量要求為200C，波形是單向的。模擬雷電流的電荷量Q和作用積分I定義分別為Q＝∫idt，I＝∫i2dt。

圖1 SAE ARP5412標(biāo)準(zhǔn)模擬雷電流波形

（1）分量A第1次回?fù)綦娏鳎?/p>

峰值電流為200×（1±0.1）kA；

作用積分為2×106（±20%）在500μs內(nèi)；

持續(xù)時(shí)間小于等于500μs。

（2）分量B（中間電流）。

最大傳輸電荷量為10×（1±0.1）C；

平均電流為2×（1±0.2）kA；

持續(xù)時(shí)間小于等于5ms。

（3）分量C（持續(xù)電流）。

電流幅值為200～800A；

電荷傳輸量為200×（1±0.2）C；

持續(xù)時(shí)間為0.25～1s。

（4）分量D（重復(fù)放電電流）。

峰值電流為100×（1±0.1）kA；

作用積分為0.25×106（±20%）在500μs內(nèi)；

持續(xù)時(shí)間小于等于500μs。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)中所設(shè)計(jì)的組合波發(fā)生器能夠產(chǎn)生符合要求的雷電流分量A、B、C、D，其電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，C1為A（D）波儲(chǔ)能電容，C2為B波儲(chǔ)能電容，C3為C波的充電電源；Z1、Z2、Z3為調(diào)波器件；D1、D2為高壓硅堆；EUT為試驗(yàn)件。

圖2 組合波發(fā)生器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

充電完成后，閉合放電開關(guān)S，組合電流分量A（D）、B、C會(huì)施加于試驗(yàn)件上，模擬真實(shí)雷電流的連續(xù)過程。試驗(yàn)過程中，電流分量A、B、C、D通過分流器或傳感器采集顯示于示波器上，雷電流直接效應(yīng)試驗(yàn)原理如圖3所示。

圖3 雷電流直接效應(yīng)試驗(yàn)原理

將試驗(yàn)件安裝好置于絕緣臺(tái)架，試驗(yàn)中采用細(xì)小銅絲引弧，放電電極采用球形良導(dǎo)體，能夠耐受試驗(yàn)電流產(chǎn)生的熔蝕，球形電極距離試驗(yàn)件表面的距離為10mm，控制裝置依次導(dǎo)通放電開關(guān)KB、KC、KD，以離子弧的形式注入試驗(yàn)件要求的波形，每注入點(diǎn)放電1次，每個(gè)試驗(yàn)件只有1個(gè)放電位置且保證每次試驗(yàn)放電位置相同。雷電流直接效應(yīng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物如圖4所示。

圖4 雷電流直接效應(yīng)試驗(yàn)實(shí)物

2 試驗(yàn)及其結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)對(duì)象

試件為飛機(jī)上2種常用的碳／環(huán)氧層壓復(fù)合材料板和碳／環(huán)氧NOMEX蜂窩夾芯復(fù)合材料板，其材料為ⅡB型2類CF3011。層壓結(jié)構(gòu)層數(shù)為10層，尺寸為300mm×300mm×2.3mm，鋪層方式為［45／90／－45／0］s，NOMEX蜂窩夾芯板結(jié)構(gòu)尺寸為300mm×300mm×11.5mm。每個(gè)試驗(yàn)平板的下邊緣連接一個(gè)鋁型材，用于鉆孔并安裝螺栓接地。試驗(yàn)件2種結(jié)構(gòu)的入擊點(diǎn)和接地點(diǎn)示意圖如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)件接地點(diǎn)和入擊點(diǎn)示意圖

試驗(yàn)件一側(cè)根據(jù)實(shí)際需要采取不同的防護(hù)方式，試驗(yàn)件的保護(hù)方式為表面貼銅網(wǎng)和表面涂PUB抗靜電涂料2種。為消除試驗(yàn)結(jié)果的不確定性和隨機(jī)性，每種試驗(yàn)件均有3件，進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)。

考慮到2種常用復(fù)合材料處于飛機(jī)上的2B區(qū)域，依據(jù)SAE ARP5416［14］標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)應(yīng)采用雷電流組合分量B、C和D進(jìn)行雷電流復(fù)合材料沖擊試驗(yàn)。典型的試驗(yàn)電流波形及其參數(shù)如圖6所示。

2.2 表面貼銅網(wǎng)防護(hù)方式結(jié)果的對(duì)比

當(dāng)模擬雷電流作用于試驗(yàn)件時(shí)，巨大的能量瞬間釋放，離子弧通道以超音速向前傳播，一旦沖擊波遇到障礙，會(huì)對(duì)附近導(dǎo)體和結(jié)構(gòu)造成破壞，引起復(fù)合材料板形變、燒蝕等現(xiàn)象。試驗(yàn)后，對(duì)每個(gè)試驗(yàn)件進(jìn)行超聲C掃描圖探傷檢測(cè)，損傷面積檢測(cè)結(jié)果見表1所列。

圖6 雷電流復(fù)合材料沖擊試驗(yàn)中典型的雷電流波形及參數(shù)

表1 表面貼銅網(wǎng)復(fù)合材料板損傷面積檢測(cè)結(jié)果 mm2

從表1可以看出，表面貼銅網(wǎng)防護(hù)方式下，碳／環(huán)氧層壓結(jié)構(gòu)和碳／環(huán)氧NOMEX蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料板損傷情況差別很大，其中碳／環(huán)氧層壓結(jié)構(gòu)試件受損面積平均值為8 597mm2，約是碳／環(huán)氧NOMEX蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)試件受損面積平均值（1 155mm2）的7.44倍。從損傷結(jié)果推斷，碳／環(huán)氧層壓結(jié)構(gòu)被組合雷電流擊中后，由于層與層之間的微小間隙使其內(nèi)部空氣間隙所要求的擊穿電壓過小，從而造成層壓板的損傷面積較大，破壞較明顯。而蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣隙較大，要求的擊穿電壓高，故模擬雷電流B、C、D沒有對(duì)其造成較大沖擊，該現(xiàn)象符合Kawakami的層壓板損傷機(jī)理模型理論［15］。典型的試驗(yàn)后試件受損超聲C掃描圖如圖7所示，圖7中黑色區(qū)域?yàn)閾p傷缺陷。易見，碳／環(huán)氧層壓結(jié)構(gòu)復(fù)合材料板遭雷電流燒蝕、破壞得更嚴(yán)重，而碳／環(huán)氧NOMEX蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料板遭雷電流燒蝕僅造成局部較小的多點(diǎn)損傷。

圖7 典型的銅網(wǎng)防護(hù)試件損傷超聲C掃描圖

2.3 表面涂PUB抗靜電涂料防護(hù)方式結(jié)果

涂有PUB抗靜電涂料的復(fù)合材料表面會(huì)降低靜電電荷積累，從而降低對(duì)機(jī)內(nèi)電子電氣設(shè)備的干擾。表面涂有PUB抗靜電涂料的2種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷情況見表2所列。從表2可看出，兩者的平均損傷面積均較大，其中碳／環(huán)氧層壓結(jié)構(gòu)高達(dá)12 266mm2，而碳／環(huán)氧NOMEX蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)也達(dá)到了9 312mm2，前者約是后者的1.32倍。典型的試件受損超聲C掃描圖如圖8所示，其中黑色區(qū)域?yàn)閾p傷缺陷，易見損傷面積都比較大。

表2 試件表面涂PUB抗靜電涂料損傷檢測(cè)結(jié)果 mm2

由表1和表2可知，表面貼銅網(wǎng)防護(hù)方式的損傷平均面積低于表面涂PUB抗靜電涂料的防護(hù)方式。對(duì)碳／環(huán)氧層壓結(jié)構(gòu)復(fù)合材料板，表面涂PUB抗靜電涂料防護(hù)方式的平均損傷面積約是表面貼銅網(wǎng)防護(hù)方式的1.43倍。而對(duì)碳／環(huán)氧NOMEX蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料板，表面涂PUB抗靜電涂料防護(hù)方式的平均損傷面積則是表面貼銅網(wǎng)防護(hù)方式的8.06倍，這表明表面貼銅網(wǎng)對(duì)碳／環(huán)氧NOMEX蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料板防護(hù)能力的提高是顯著的。

圖8 典型的PUB抗靜電涂料防護(hù)試件損傷超聲C掃描圖

3 結(jié) 論

本文采用組合雷電流B、C、D分量對(duì)碳／環(huán)氧層壓結(jié)構(gòu)和碳／環(huán)氧NOMEX蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料板雷電損傷效應(yīng)進(jìn)行了研究，并對(duì)比分析了表面貼銅網(wǎng)的防護(hù)方式與表面涂PUB抗靜電涂料的防護(hù)方式的復(fù)合材料板雷電流防護(hù)能力。結(jié)果表明：

（1）組合雷電流作用下，碳／環(huán)氧NOMEX蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料板的損傷（破壞）面積比碳／環(huán)氧層壓結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料板小，特別是采取表面貼銅網(wǎng)的防護(hù)措施的碳／環(huán)氧NOMEX蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料板，其防護(hù)效果改進(jìn)明顯。碳／環(huán)氧NOMEX蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料板比碳／環(huán)氧層壓結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料板雷電（流）防護(hù)能力好。

（2）組合雷電流作用下，復(fù)合材料板的表面貼銅網(wǎng)防護(hù)方式的平均損傷面積低于表面涂PUB抗靜電涂料防護(hù)方式，即表面貼銅網(wǎng)防護(hù)方式的效果比表面涂PUB抗靜電涂料防護(hù)方式好。

（3）不同結(jié)構(gòu)、不同防護(hù)方式的復(fù)合材料承受雷電流的能力差別較大，飛機(jī)復(fù)合材料選型過程中需要綜合考慮多方面因素，以達(dá)到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)要求。

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