1. 雷電防護原則和目標

對于CFRP結構，通過在CFRP外表面上鋪設防雷銅網或防雷鋁網提供雷擊保護。防雷金屬網應采用非編織形式的金屬網，不能使用金屬箔片或編織金屬網。

防雷金屬網具有四個重要的幾何參數是：長菱邊（LWD）、短菱邊（SWD）、厚度以及梗寬。通過改變金屬網的幾何結構可以改變防雷金屬網的電導率。因此，同等重量，不同結構的金屬網可以實現不同的導電率。經過測試，進口某型420g/m²銅網的長邊電阻率和短邊電阻率分別是2.93×10^-8Ω?m、8.15×10^-8Ω?m，國產ABEMM系列420g/m²銅網的長邊電阻率和短邊電阻率分別是3.12×10^-8Ω?m、5.26×10^-8Ω?m。圖1所示是進口420g/m²銅網和國產ABEMM系列420g/m²的銅網損傷結果仿真對比，可以看出國產防雷銅網的損傷面積（圖1a）明顯小于進口防雷銅網的損傷（圖1c），而且國產防雷銅網復合板碳纖維的損傷面積和損傷深度（圖1b）也小于進口防雷銅網復合板碳纖維（圖1d）。結果表明，同等重量的防雷金屬網，國產銅網通過合理地金屬網結構的優化設計，可以實現更好的防雷效果。

圖1  銅網引弧區損傷效應仿真（a）國產某型420g/m²銅網，引弧區損傷面積（b）國產銅網碳纖維層損傷面積及深度（c）進口ABEMM系列420g/m²銅網，引弧區損傷面積（d）進口銅網碳纖維層損傷面積及深度

防雷金屬網除了能起雷電防護作用，還能起到電磁防護的目的。這種防護的有效性，與金屬網的開孔率以及電磁場的頻率有關，一定范圍內防雷金屬網的開孔率越小，電磁屏蔽效果越好。

3.1 飛機雷電分區及防雷金屬網的選擇

依照SAE ARP 5414標準，根據閃電在飛機上的不同附著特性，將飛機表面劃分為三個區域：1A區、1B、1C、2A區、2B和3區，圖2所示為一個固定翼飛機的雷電分區圖。不同的雷電分區對應不同的雷電流分量，如圖3所示，不同的雷電流分量對應不同的雷電流防護難易程度，根據雷電分區防護難易程度由難到易排序，依次為1B區、2B區、1A區、1C區、2A區、3區。表1所示是各飛機廠商根據不同的雷電分區選用的金屬網型號。防雷金屬網型號的選擇應根據雷電仿真、試驗結果或工程經驗。對于復合材料飛機而言，通常1B、2B區應選擇雙層195g的銅網或者420g的銅網進行防護，因為1B、2B區的持續電流分量C會使金屬網損傷面積變大，損傷深度變深。1A區選用195g銅網進行防護，1C區選用195g或141g的銅網進行防護，2A區選用107g銅網進行防護，3區選用73g銅網進行防護。但防雷金屬網選用也可根據飛機的具體結構、雷電防護要求進行適當的變化，例如，如果是全復合材料飛機，飛機無金屬桁架結構，則雷電防護應進行加強，選用防雷能力更好的防雷金屬網，如1A區選用220g銅網。

表1  國外各飛機制造商選用金屬網規格

圖2典型飛機雷電分區圖

圖3　雷電放電電流分量

3.2 防雷金屬網的應用工藝

3.2.1 防雷金屬網的安裝工藝

防雷金屬網在碳纖維復合材料材料表面鋪設時分為干法工藝和濕法工藝兩種。濕法工藝是將金屬網和碳纖維鋪設在模具上，然后可采用真空吸注-袋壓成型的方法一體成型。真空吸注-袋壓成型是在固化時利用真空產生的大氣負壓對制品施加壓力的成型方法。其工藝過程為：將疊好的制件毛坯密閉在真空袋與模具之間，然后抽真空形成負壓，大氣壓通過真空袋對毛坯加壓。

真空吸注-袋壓成型制備結構件時，先在模具上涂上脫模劑，鋪上防雷金屬網，再依次鋪上纖維布、蜂窩、纖維布、脫模布、隔離膜和導流網等，具體鋪層順序如圖4所示。然后用密封膠條將真空袋和模具粘接在一起，在試驗件的一端安裝注膠管，另一端連接真空系統，配制膠液對纖維布和防雷金屬網進行注膠，如圖5所示。

防雷金屬網干法成型工藝主要采用金屬網復合膜和碳纖維預浸料，采用熱壓罐進行加熱加壓成型。金屬網復合膜是由表面膠膜、無紡布載體和防雷金屬網組成的集成防雷產品。表面膠膜是有別于結構膠膜的單組份環氧樹脂膜，表面膠膜成型后可消除復合材料表面的多孔性，提供平滑致密的表面。因此金屬網復合膜可以同時提供雷電防護的表面修飾的作用。金屬網復合膜制備防雷擊結構件時鋪層順序如圖6所示，金屬網復合膜鋪貼時表面膠膜緊貼模具面，防雷銅網則和碳纖維預浸料直接接觸。如果防雷金屬網是鋁網，考慮鋁網和碳纖維電化學腐蝕，必須在防雷鋁網和碳纖維預浸料之間加一層玻璃纖維隔離層。

圖4  濕法成型碳纖維防雷結構件鋪層順序

圖5  金屬網濕法成型工藝圖

圖6 干法成型碳纖維防雷結構件鋪層順序

3.2.2 防雷金屬網的接地工藝

通過對金屬網雷電試驗的觀察，大電流作用下，金屬網的損傷區域主要是雷電流入點（引弧區）以及出點（接地區），如圖7所示。而且接地區域的損傷大小對整個金屬網防雷效果起著至關重要的作用，因為一旦接地區受損傷，則可能導致整個接地回路的斷裂。引弧區的損傷可通過金屬網規格的選用來減小，以防止碳纖維復合材料的損傷。接地區損傷則必須通過專門的接地設計，采用合適的接地方法，以減少金屬網的損傷，延長金屬網的使用壽命。

圖7  防雷金屬網復合板損傷示意圖

圖8是一種防雷金屬網的接地方法，該方法是在防雷金屬網接地區增加一個金屬板，通過接地緊固件將金屬板、防雷金屬網，以及復合材料連接起來。對金屬網進行研究時發現，接地處金屬網的碳纖維受損傷的主要原因是雷電流在不同界面間傳遞時，界面之間有縫隙，導致接地電阻變大，產生電弧打火現象。美國鋁業公司的研究表明，雷擊過程中，單個緊固件產生電火花的電流閾值為5kA，因此傳導200kA雷電流，至少需要20個緊固件。復合材料蒙皮不同緊固件之間傳達電流的大小差異很大，比金屬蒙皮緊固件更容易產生電弧火花。因此復合材料接地要解決雷電流在緊固件上雷電流分布不均勻現象以及緊固件與碳纖維復合材料之間出現孔隙現象。金屬網雷電流傳導過程中先經過金屬網，再經過金屬板，然后通過防雷緊固件傳導到金屬框架。金屬板可實現傳導電流均勻分布，防雷緊固件可實現緊固件和碳纖維和緊密配合，通過該方式可減少產生電弧打火的可能性。

圖8  防雷金屬網接地方法示意圖

3.2.3 防雷金屬網的修復工藝

復合材料零件固化后可能會出現金屬網破損，或者金屬網遭遇雷擊后出現損傷。當金屬網破損區域需要修復時，則按以下工藝修復。打磨破損處，露出金屬網，并將損傷區域邊緣以外6mm范圍內的樹脂去除，打磨時嚴禁損傷碳纖維，在打磨處貼一塊大小不小于打磨區域，銅網復合膜型號與損傷區域相同的補丁，采用硅膠加熱板，在至少一個真空壓力的條件下進行加熱固化。固化溫度120℃±5℃，固化時間≥90分鐘。

雷擊損傷后的金屬網復合膜經過修復后的照片如圖9（a）所示，修補補丁大小為10cm×10cm，修補后金屬網復合膜粘接牢固，修補后的金屬網復合膜雷擊損傷效果如圖9（b）所示。100kA的雷電流沖擊后，金屬網在引弧區以及金屬網修補過渡區有部分損傷，但碳纖維復材未出現明顯結構性損傷。修補后的金屬網復合膜滿足雷電防護的要求。

圖9  損傷后修補金屬網復合膜防雷擊效果：（a）雷電流注入前（b）100kA雷電流注入后

3.3 復合材料雷電防護效果的評估

防雷金屬網對復合材料雷電防護效果的評估可通過仿真計算或雷電試驗的方法進行。航空工業檢查雷電試驗后直接效應損傷的主要方法有：1）目視檢查；2）硬幣敲擊，即在復合材料表面用一個簡單的硬幣或小錘敲擊并通過所產生的聲音來確定分層損壞的方法；3）超聲C掃描和X射線熱成像的方法。

目前，雷電防護金屬網對復合材料的防護效果沒有統一的評估標準，今后需要制定出統一的評定標準。但從雷電防護金屬網的功能性而言，雷電防護金屬網進行復合材料雷電防護是保護碳纖維復合材料結構，因此雷電防護金屬網達到防護目標的最低標準是防雷金屬網允許有一定尺寸的燒蝕，而下層碳纖維結構不會出現結構性損傷：碳纖維炸裂、燒蝕出孔洞、出現分層斷裂，或者力學強度小于設計載荷要求、特定功能受影響的其它形式損傷。

四、結論