【摘 要】本文介绍了某大型客机复合材料结构防雷击的设计及措施，并给出了一种新型的复合材料防雷击层，对其防雷电机理、性能及在实际结构中的应用进行了介绍，为民用飞机复合材料结构防雷击的设计提供了参考。

　　【关键词】大型客机；复合材料；防雷击

　　0 引言

　　先进复合材料目前已广泛应用于各种飞机结构上，它具有比强度、比模量高、疲劳性能好、耐腐蚀、可设计性强和易于整体成形等许多优异的特性。虽然复合材料具有多方面优势，但是其导电性较金属材料差，复合材料部件遭受雷击时，部件很难在短时间内将电流导走，从而导致温度上升，温度过高将致使复合材料部件产生深度分层或被严重烧蚀，整个部件的强度、刚度大幅度下降，造成结构破坏，危及飞机安全。因此对大型客机复合材料雷击防护设计的研究具有重要意义。

　　1 复合材料结构的防雷击设计

　　根据FAA适航通报的相关规定，民用翼吊双发客机机体遭雷击区域一般分为ⅠA、ⅠB、ⅡA、ⅡB和Ⅲ区。

　　a）ⅠA区为直接雷击区，且雷电在此驻留的可能性非常小。此区是雷击的进入点，即最先接触到雷击的飞机表面。包括机头、翼梢小翼及翼尖、平尾翼尖、垂尾翼尖等。

　　b）ⅠB区为直接雷击区，且雷电在此驻留的可能性大。此区是雷击电流放电区。包括机身尾罩、翼梢小翼及翼尖后缘、平尾翼尖后缘、垂尾翼尖后缘等。

　　c）ⅡA区为扫掠雷击区，且雷电在此驻留的可能性非常小。飞机一旦遭到雷击，这种放电接触点在气流的冲刷下，不断顺气流方向跳跃移动的雷击称为扫掠雷击。这种雷击所扫过的飞机表面为扫掠雷击区。包括机头以后的机身表面、垂尾、翼身交界区、吊挂、发动机短舱等。

　　d）ⅡB区为扫掠雷击区，且雷电在此驻留的可能性大。此区包括平尾后缘、垂尾后缘、机身尾段等。

　　e）Ⅲ区是间接影响区，除Ⅰ、Ⅱ区以外的表面。如机翼表面、平尾表面等。

　　由于复合材料结构导电性能差，设计过程中必须考虑设置专用的雷电传输通道，防止结构遭雷击而损坏。目前常用的复合材料结构防雷电的措施有以下几种：

　　a）在构件的外表上铺一层玻璃布过渡层，过渡层外铺一层铝丝网或铜丝网，一次固化或用胶粘剂将铝或铜丝网粘到玻璃布上，采用该形式的结构导电性能较好，在雷电附着区域结构常采用此种方法。

　　b）在具有玻璃布过渡层上，用火焰或等离子喷涂一层铝粉，再喷一层封孔剂，防止涂层被氧化和腐蚀，该形式多用于飞机活动翼面上。

　　c）在复合材料构件表面等间距布置配置宽度25mm的铝箔，该形式多用于外形变化较大的复合材料构件，如机头前段的雷达整流罩等。

　　以上三种导电防护层的制备工艺、导电性能、结构特点、飞机增重、修复难易程度、成本及适用性等方面都各有优缺点，综合多种因素考虑，铝网防雷击层具有厚度小、质量轻、施工简单、易修复、结构强度高以及能适应大曲率外形零件的优势，因此目前该方法得以在各类飞机型号中大量使用。

　　2 新型防雷击铺层防雷击原理及性能介绍

　　随着材料技术及工艺的发展，出现了一种新型的防雷击复合胶膜，与传统复合材料雷击防护材料不同，该新型防雷击材料将表面胶膜和导电金属网结合为一体，使用中将其铺设在有防雷击要求的复合材料结构外表面，通过导电金属网将雷击电流传递到机体放电部位即可达到雷击防护的效果。

　　该新型防雷击材料由表面胶膜和导电层（金属网）组成。表面胶膜为单位面积重量为0.03psf或面密度更大的粘合剂或填充胶膜；而导电层则为单位面积重量0.015psf-0.04psf的铜、铝质金属网、金属箔或金属网筛。下图为其组成示意。

　　图1 新型防雷击材料组分

　　在该新型防雷击复合胶膜中，导电层代替了常规防雷击材料中的火焰喷铝和金属网，导电层主要包括金属箔、机织金属网筛和金属网三类。金属网箔由整块金属箔经过打孔和拉伸之后得到，而机织金属网筛则通过金属丝编织而成，由于机织工艺对材料强度的要求，必须采用铝合金或者铜合金作为编织材料，且在编织的网格交点处电阻较高。金属网是经过撕裂和拉伸工序得到的。金属网的形状和网孔的参数是由所用的特定工具来决定的。

　　为验证新型防雷击复合胶膜的防雷击效果，选用德国汉高公司牌号为SynSkin9837.1LS.0.30/0.16AL（铝网）的复合胶膜分别铺设于碳纤维层压板结构、碳纤维蜂窝夹层结构、碳纤维泡沫夹层结构表面进行雷击试验。试件在雷击后表面由于能量聚集，产生了一定的损伤及分层，但结构件背面没有任何损伤，证明该雷击防护层能够承受飞机Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区的雷击，能够有效的保护机体复合材料结构，通过试验对该新型雷击防护层铺贴工艺的验证，证明相较火焰喷涂铝层及铝箔铺贴两种防雷击方式其铺贴工艺更为简单。复合材料结构上铺贴铜网或铝网，均可以起到闪电防护作用，铜网在截面相同的情况下闪电防护效果更佳，铝网则是重量较轻，考虑到腐蚀防护，在实际使用铝网的过程中，需要在结构件与金属铝网之间增加玻璃纤维层，必将导致重量增加，使得铝网优势不明显。综合以上分析，在某型号大型客机研制中，尾翼、机翼活动面、机翼前后缘等部位选取了整块铺贴的铜网作为复合材料结构雷击防护层。

　　3 该新型防雷击铺层在飞机结构中的应用

　　在某型号大型客机机翼后缘副翼舱的研制中，由于该型号采用了翼吊发动机，后缘副翼舱上、下复材蒙皮结构区域均位于雷电扫略区域，因此在此复材蒙皮铺层设计中，采用了SynSkin9837.1LS防雷击表面铺层。复材蒙皮采用蜂窝夹芯结构，防雷击铜铺层（SynSkin9837.1LS.030/.022，厚度0.125mm）位于外表面，如图2所示。由于防雷击层同时包含了复合材料表面保护膜，在起到闪电防护功能的同时，还可以提高翼面表面质量，降低后续喷漆成本。

　　图2 SYNSKIN9837.1LS在襟翼试验件上的应用

　　4 结论

　　新型防雷击复合胶膜能够承受飞机1A雷击区域要求的雷击且能够有效的保护复合材料结构。此外，该产品还有以下优点：在为复合材料结构零件提供雷击防护的同时，由于新型防雷击复合胶膜的表面膜与导电金属网合二为一，减少了铺贴工作量；零件表面质量好，无需其他工序处理；金属网保护程度高，不易在打磨过程中损坏。新型防雷击复合胶膜使用过程中减少了设计与工艺路线，零件成形后表面质量高，且修补工序中也可以保护部件的其它部分不被损坏。

　　鉴于新型防雷击复合胶膜高效的防雷击以及简单的工艺性和利于修理等诸多方面具有优势，该新型防雷击材料在大型客机复合材料结构防雷击设计中不失为一种优秀的备选材料。

　　【参考文献】

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　　[2]牛春匀。实用飞机结构工程设计[M].北京：航空工业出版社，2009.

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　　[4]杨乃宾，章怡宁。复合材料飞机结构设计[M].北京：航空工业出版社，2002.

　　[责任编辑：汤静]