雷击保护复合材料结构

摘要：风力叶片制造商LMGlasfiber的雷电测试程序包括全尺寸测试，如图所示，测试对象为35米/115英尺的叶片。新的（草案）SAEARP5416和EUROCAEED105程序中描述了测试方法，这些程序正在取代之前的美国MIL-STD-1757A

复合结构比金属更容易损坏，但今天的LSP产品提供了经过验证的保护。

各种金属网和膨胀箔产品，如Dexmet提供的产品，可供复合材料制造商用于复合材料的雷击保护

风力叶片制造商LMGlasfiber的雷电测试程序包括全尺寸测试，如图所示，测试对象为35米/115英尺的叶片。新的（草案）SAEARP5416和EUROCAEED105程序中描述了测试方法，这些程序正在取代之前的美国MIL-STD-1757A

LMGlasfiber沿叶片长度安装了多个接收器，并将其连接到内部导电系统，用于长度超过25m/82英尺的叶片上的LSP，以及所有碳纤维风力叶片和海上涡轮机上的叶片

IntegementTechnologies生产剥离粘贴贴花，用于为复合材料结构提供有效的雷击保护

亚当飞机A500双引擎螺旋桨飞机的模压碳纤维/环氧树脂发动机罩具有一层铜网外层（插图），用于雷击防护

用膨胀铝箔LSP保护的凯夫拉尔复合材料面板（左）和用Hollingsworth&Vose的新型镀镍碳纤维LSP面纱保护的凯弗拉尔复合面板（右）的雷击测试结果。两个面板都通过了测试。

两个雷击测试面板：顶部的一个显示了由于缺乏雷击保护而导致的烧穿；底部面板由StrikeGuard LSP预浸料保护，仅显示局部表面损坏

通用航空飞机、大型商用喷气式飞机和风力涡轮机容易受到雷击。例如，美国联邦航空局认证的飞机通常每年会遭受一到两次撞击。与金属结构不同，这些应用中的复合结构不易传导雷击产生的极端电流和电磁力。复合材料要么根本不导电（如玻璃纤维），要么导电性明显低于金属（如碳纤维），因此雷击产生的电流会寻找可用的金属路径。因此，自30多年前第一批复合材料用于飞机以来，雷击防护（LSP）一直是一个值得关注的问题。

如果闪电击中未受保护的结构，高达200，000安培的电流会寻找阻力最小的路径。在此过程中，如果电流穿过紧固件周围的间隙，它可能会蒸发金属控制电缆，焊接控制表面上的铰链，并爆炸油箱内的燃料蒸汽。这些直接影响通常还包括直接冲击区域的树脂蒸发，以及层压板的可能烧穿。当结构中的磁场和电势差感应出瞬态电压时，就会产生间接效应，这可能会损坏甚至摧毁没有电磁场屏蔽或防雷保护的机载电子设备。对复合结构保护的需求促使了许多专用LSP材料的开发。“

保护基础

LSP策略有三个目标：提供足够的导电路径，使雷电流保持在结构的外部；消除该导电路径中的间隙，以防止在连接点产生电弧和燃料蒸汽着火；通过仔细接地、EMF屏蔽和在必要时应用浪涌抑制装置，保护接线、电缆和敏感设备免受损坏的浪涌或瞬态。

传统上，复合材料结构中的导电路径是通过以下方式之一建立的：

（1）将铝箔作为外层粘合到结构上；

（2）将铝或铜网粘合到结构上，作为外层或嵌入一层；

（3）将导电材料线结合到层压板中。

所有这些都需要将导电路径连接到飞机的其他部分，以便为电流提供足够数量的路线，从而安全地离开飞机。这通常是通过使用金属粘合条（即电粘合）将导电表面层连接到内部“接地平面”来实现的，该平面包括发动机、导管等金属部件。由于雷击可能会附着在复合结构中的金属紧固件上，因此可能需要通过用塑料帽或聚硫化物涂层封装紧固件螺母或套筒来防止它们之间产生电弧或火花。

为了保护外表面，已经开发了许多金属和金属化纤维产品，通常是织造和非织造筛网以及膨胀箔。这些网状产品使闪电电流能够快速穿过结构表面，从而减少其焦点。LightningTechnologies股份有限公司（LTI，Pittsfield，MA）的高级工程师埃德·鲁普克（EdRupke）表示，铝线是最早的LSP材料之一，与碳纤维交织作为层压板的一部分。然而，使用铝和碳纤维有电偶腐蚀的风险（当两种不同的金属与电池的作用相似时，导致充当阳极的金属腐蚀）。铜线减轻了电偶腐蚀的威胁，但重量是铝的三倍。随着玻璃纤维复合材料在飞机上的应用，该行业研究了箔，然后膨胀箔，可以与层压板的外层共固化。涂层纤维（镍或铜电沉积在碳和其他纤维上）也被使用，但在EMF屏蔽应用中的性能比直接雷击保护要好得多。“

金属网和膨胀箔

Astrostrike铝网由AstrosealProducts（康涅狄格州切斯特）从固体箔中生产，然后对其进行穿孔和膨胀，以提高可成形性并增强与复合材料结构的附着力。Astroseal声称，其产品的导电性明显高于编织网，同时与金属化纤维产品相比可以减轻重量（见“金属化织物和纤维”，第47页）。Cirrus（明尼苏达州德卢斯）在其FAA认证的SR-20和SR-22单引擎活塞动力飞机的玻璃纤维复合材料机身上使用Astrostack。Astrostrike铝网嵌入复合材料层中，3英寸至4英寸（76毫米至102毫米）的金属条沿飞机长度延伸，将飞机表面与框架电连接。该公司知道Cirrus飞机遭受了两次雷击：一次击中了螺旋桨尖端，穿过了发动机；另一架穿过机身，穿过飞机图形上的金属薄片涂料离开。这两起事件都是按照设计通过飞机进行的，没有造成人员伤亡或严重损坏结构或设备。飞行员能够毫无问题地飞回家。机身工程总监保罗·布里（PaulBrey）表示，Cirrus正在评估一种更薄、更轻的Astrostrike产品，作为制造升级，以改善表面光洁度并降低制造成本。

AdamAircraft（科罗拉多州恩格尔伍德）制造了美国联邦航空局认证的双螺旋桨（直列推/拉）加压A500飞机，并正在完成其A700喷气式飞机的美国联邦航空管理局认证。两者都有碳纤维复合材料机身，并使用Astrostack非织造铜网，消除了碳复合材料的电偶腐蚀风险，厚度只有几密耳。“我们几乎在整架飞机上都使用它，”结构首席工程师凯瑞·曼宁（KerryManning）解释道。“它增加的厚度很小，因为它是作为第一层铺起来的，其余的层压板都建在它上面。”

AdamAircraft在开发期间聘请LTI担任LSP顾问，并在为期六个月的A500LSP系统FAA认证过程中担任雷击测试公司。亚当飞机公司知道，到目前为止，其A500飞机遭到了一次袭击，对机身造成了轻微的损坏。曼宁表示：“早期使用LTI节省了大量时间，并帮助我们避免了许多陷阱。”

然而，曼宁指出，完成步骤必须谨慎进行。他解释说：“我们像往常一样涂底漆和油漆，但我们了解到必须控制油漆厚度。”。“如果油漆太厚，闪电不容易传导到铜网，最终会造成损坏。”A500和A700还在机翼和机身之间使用金属连接带，建立接地平面，用于连接机身和航空电子设备。

许多供应商提供膨胀箔，这种箔不需要更昂贵的织造工艺来生产，据报道，它比织物具有更高的悬垂性和一致性。Dexmet（康涅狄格州瑙加塔克）为飞机提供各种导电金属产品，包括铝、铜、磷青铜、钛和其他材料。Dexmet准备修改任何设计以满足精确的客户需求，并与客户合作测试和评估定制和标准LSP设计。Dexmet声称是全球唯一一家提供48英寸/1219毫米宽度的0.004英寸/0.1毫米扩展铝的公司，这可以降低应用过程中的劳动力成本。

Strikegrid是一种磷酸阳极氧化连续膨胀铝箔(CEAF- continuousexpanded aluminum foil)产品，由M.C.GillCorp.集团旗下的Alcore(马里兰州埃奇伍德)供应。由于专有涂层，它声称具有优异的耐腐蚀性和环境寿命。它以24英寸至36英寸(610毫米至914毫米)宽、2mil和4mil(0.05mm和0.10mm)厚的连续卷供应。

在欧洲，铝LSP网由ECCGmbH&Co.KG(前身为德国HeekNienborg的C.Cramer&Co.)供应。DiamondAircraft（加拿大安大略省伦敦市）在其复合机身DA40飞机上使用了这种网状物，该飞机由奥地利开发，并获得了奥地利联邦航空局的认证。该公司在加拿大的活塞发动机项目工程经理唐·乌芬（DonUffen）介绍了DA40的雷击保护系统，“铝网用于玻璃纤维飞机结构的雷击区域，也用于翼尖附近的碳复合材料机翼蒙皮。”使用的LSP织物是ECC的3K碳纤维2x2斜纹织物，带有铝线（459型）。据报道，环氧树脂有助于防止铝网和碳纤维复合材料之间的电偶腐蚀。这架飞机的雷电防护由Culhamlightning有限公司（英国牛津郡阿宾顿）测试。乌芬说：“所有表面和结构都是通过铝管导管的冗余路径和相互连接的扁平铝带进行电气连接的，铝管导管用于将线束穿过飞机。”。“管道和带子的尺寸已经确定，以确保它们能够承载所需的雷电流，以防止损坏。”DA42的防雷保护基本相同，尽管它使用的碳复合材料比DA40多。“

Ply集成LSP

最新的发展是“一体化”LSP预浸料，其中包含预嵌入的编织或非织造金属网，这些发展是如此之新，以至于在最近的许多飞机项目中都没有考虑过。

据供应商介绍，这些产品在叠层中首先应用，大大降低了配套和制造成本。

StrikeGuard LSP预浸料由APCM(康涅狄格州普莱恩菲尔德）制造，通过合作伙伴/分销商AdvancedMaterials andEquipment(康涅狄格州Barkhamsted)销售并得到其支持。APCM的LSP预浸料由浸渍有热熔粘合剂树脂的织造或非织造金属网制成，这些树脂经过添加剂改性以提高基质的导电性，使整个预浸料成为导电系统。金属网选项包括各种尺寸的铜、铝、磷青铜和镍/铜涂层聚酯纤维，重量从0.08lb/ft2到0.060lb/ft2不等。预浸料还提供轻质非织造玻璃纤维面纱，可增强表面光洁度，减少孔隙率，并在涂漆前进行二次精加工。

使用StrikeGuard等组合式预浸料/面纱系统可确保网状物完全被树脂润湿，与单独铺设树脂膜和干网状物相比，可降低空气滞留的风险。为了便于操作，StrikeGuard预浸料的一侧配有纸张脱模剂，另一侧配有聚合物脱模剂。可以指定1英寸/25.4毫米的无面纱边缘，以便通过重叠相邻的层来实现导电性。StrikeGuard被全球几家通用航空制造商使用。

汉高公司(加利福尼亚州湾点)的LSP表面膜将其SynSkin复合表面膜和Hysol薄膜粘合剂与Astroseal的轻质导电Astrostack屏幕相结合，提供了一系列雷击表面膜。据报道，它们简化了处理和叠层，并提高了固化部件的表面质量。筛网还可以降低涂装表面处理的成本，减少原材料零件数量和配套时间，并且可以与预浸料共固化。据报道，SynSkin独特的填充材料和树脂基质组合使其在固化后几乎不可能砂透，与所有环氧薄膜粘合剂相比，在砂填操作中为导电屏幕提供了更好的保护。

氰特(CytecEngineeredMaterials-亚利桑那州坦佩)还生产薄膜粘合剂和包含穿孔箔的表面处理薄膜形式的LSP产品。FM-300和FM-1515-3是结构薄膜粘合剂，专为希望只有一种材料同时适用于结构和LSP用途的客户开发。Cytec将SURFACEMASTER 905复合表面膜称为其下一代LSP产品。根据产品开发经理达利普·科利博士的说法，“SURFACEMASTER905是专门为生产没有针孔或任何表面缺陷的复合结构而设计的。”他继续说道，“孔隙率是一个问题，当添加金属网等雷击材料时，这个问题只会变得更糟。SURFACEMASTER 905可以嵌入扩展铜网(ECS)或扩展铝网(EAS)，这样就很容易实现无缺陷的表面和雷击保护。”据报道，SURFACEMASTER905像薄膜粘合剂一样柔软悬垂，薄膜中含有足够的树脂，可以在不损坏嵌入式金属网的情况下进行表面打磨。根据氰特(Cytec)的说法，该产品通过了由lightningTechnologies股份有限公司进行的一系列雷击测试，包括1A和1B区的测试，并获得了波音、空中客车、贝尔、庞巴迪和巴西航空工业公司等主要原始设备制造商的资格。该产品以36英寸至54英寸宽（91.4厘米乘137厘米）的卷状供应，厚度约为5密耳（0.13mm）。

赫氏(Hexcel-康涅狄格州斯坦福德)表示，与更传统的材料相比，其各种LSP组合可以减轻重量和制造成本，并被用于飞机和风力涡轮机。赫氏(Hexcel)可以将其HexWebCR-PAA(磷酸阳极氧化)铝箔作为独立产品供应，也可以将其与预浸料和/或粘合剂组合成多层LSP系统。此外，该公司的Redux粘合剂和HexPly树脂可以与青铜、铜、铝网或膨胀箔配对。一个更不寻常的选择是该公司的InterwovenWireFabrics，其特点是将小直径的金属丝编织到碳布织物中，以创建单层LSP系统。该系统的线材选项包括磷青铜、铝和其他材料，它们可以以各种线材浓度融入各种编织风格中，然后可以用赫氏(Hexcel)树脂预浸。如果需要隔离碳复合材料层，赫氏(Hexcel)可以将玻璃纤维织物结合到任何包括金属箔或网的多层产品中。“

金属化织物和纤维

几家公司提供可用于生产LSP织物的金属化织物和/或金属化纤维。DiamondFiberComposites(俄亥俄州辛辛那提市)使用该公司所谓的“化学镀”工艺，在碳纤维上涂覆各种金属，包括镍、铜、银、金、钯、铂和金属混合物(多层涂层)，这是一种完全基于化学的涂层工艺，据报道，它比电镀工艺提供了更均匀的涂层。这些涂层纤维可以作为连续的纤维长度、短切纤维、机织物和非织造面纱/垫获得。

ElectroFiberTechnologies(康涅狄格州斯特拉特福德)提供涂覆在碳、石墨、玻璃、聚酯和其他合成纤维上的单金属或双金属混合物。该公司供应短切纤维(长度低至1毫米/0.04英寸)和3K至80K的连续丝束，以及非织造面纱和垫子。

TechnicalFibreProducts(纽约州纽堡)提供使用碳、镀镍碳、镀铝玻璃、碳化硅、不锈钢和镍纤维的导电非织造垫和面纱。该公司还可以使用独特的湿法铺设技术定制混合纤维、颗粒和粘合剂。

TextileProducts股份有限公司(Anaheim，California)提供由AS4-3K碳纤维和铝线制成的#4607216 g/m2碳/铝混合织物。它还提供4608218 g/m2的T650/35-3K碳纤维和铝线混合动力车。两者都是平纹织物，厚14密耳，宽107厘米/42英寸。

Varinit(南卡罗来纳州格林维尔)提供导电增强织物，开发和制造符合客户规格的产品。作为铝和铜LSP产品(如上文所述的AdamAircraft和下文所述的EpicAircraft使用的铜网)的替代品，Hollingsworth&VoseCo.(马萨诸塞州东沃波尔)的AFN高级纤维非织造布集团(佐治亚州霍金斯维尔)开发了一种新的镀镍碳纤维非织造材料。这种新型LSP面纱已由LightningTechnologies股份有限公司(LTI)进行测试，并通过了最严重的1A区雷击测试(见“保护要求”，第47页)。在最近的SAMPE2006演示文稿中详细介绍，镀镍碳纱与铝金属网相比表现良好，由于镀镍碳纱能够在面板的整个表面上分配能量，因此不会对LSP下方的任何纤维造成损坏。据报道，这种灵活、轻便、高导电的LSP面纱比铝网产品更容易处理和维修，不需要隔离层来防止电偶腐蚀，简化了制造，并提供了重量和成本优势。“

将LSP绑定到飞机系统中

LSP产品只有在充分融入飞机的整体保护系统时才能提供足够的保护—这项工作有时会考验飞机制造商的创造力。例如，EpicLT和EpicJet均采用碳复合材料机身，由EpicAircraft（俄勒冈州本德）制造，采用标准铜网，但融入了创造性元素。当复合材料机翼、机身蒙皮和水平稳定器叠放时，铜柄（用作连接点的薄或尖的突出物）被放置在层压板内作为导电硬点，不仅接触嵌入的铜网，还接触桥接机身和机翼之间间隙的粘合带。EpicAircraft使用薄膜来减少铜网造成的表面孔隙。另一个创新特征是Epic使用导电粘合剂将静电芯连接到飞机的接地表面网格中。这种粘合剂经过改性以传导电流，虽然它不是为雷击而设计的，但它在提供分散静电的连接方面效果很好。

波音公司（华盛顿州西雅图）为其复合材料密集型中型787商用客机开发了一种多层次的雷击防护策略。波音公司计划在复合材料机身和机翼的外层使用薄金属网或箔，以快速消散和引导电荷到机体外，并屏蔽机载电子设备。为了避免机翼蒙皮紧固件与其孔之间的微小间隙，这可能会引发火花，波音公司将精确安装每个紧固件，然后将其密封在内部。波音公司将使用非导电胶或玻璃纤维密封机翼蒙皮与内部翼梁相交的边缘，以防止间隙，这可能会使电子在雷击时喷出，这种现象被称为“边缘发光”。在油箱中，波音公司将通过安装氮气发生系统（NGS）来消除燃料蒸汽爆炸的威胁，该系统通过用惰性氮气填充空间来最大限度地减少机翼油箱中的易燃蒸汽。“

附加LSP

IntegementTechnologies（纽约州托纳万达）开发了各种聚合物基、剥离式和粘贴式贴花，可以在施工后安装在复合材料表面上。据报道，这种贴花是为数不多的可用于对现有结构进行LSP改造的产品之一，比传统的嵌入式网状产品更轻，降低了维修成本和难度。由于它们被放置在复合材料表面上，损坏往往仅限于贴花，通常可以在不切除受影响区域的情况下进行修复：受影响的贴花部分只需被移除并替换为新的贴花区域。如果被闪电击中，这些贴花必须更换，但这对LSP来说很常见，因为嵌入式产品的树脂通常会蒸发，需要维修。

这些产品有6英寸/152毫米的胶带和薄膜，宽度可达36英寸/914毫米，也可以定制尺寸以满足特定的应用要求，厚度通常为3密耳。它们的成本从每平方英尺17美元到50美元不等。目前的应用不仅包括飞机，还包括风力涡轮机叶片。

闪电转移系统公司（加利福尼亚州亨廷顿海滩）开发了一种用于复合材料外表面的薄“保形屏蔽”产品。屏蔽层重量轻，表面光滑，可防止直接或间接雷击。VoughtAircraft和KamanAerospace正在使用该产品，该产品比机加工金属网更昂贵，但也可以拉伸，从而增强了对复杂曲率的适应性。共形屏蔽采用24英寸乘26英寸（610毫米乘660毫米）的面板，厚度低至1密耳，采用铝或铜和镍镀层版本，与碳/环氧树脂层压板一起使用时消除了电偶腐蚀的风险。该公司还生产用于天线罩的分段雷电分流器条，该条由直径非常小（0.01英寸/0.25毫米）的金属盘组成，这些金属盘排列在薄（0.005英寸至0.010英寸或03毫米至0.25毫米）的层压条上。圆盘之间的间距允许上方的空气电离，从而在分流器条上方的通道中安全地引导闪电。与箔产品相比，它们提供了永久性的多层保护，箔产品在雷击时会蒸发，而且比实心金属棒重量更轻，空气动力阻力更低，比内部杆系统的复杂紧固件设计维护更少，对封闭雷达天线的射频(RF-radio frequency)模式的影响可以忽略不计。

“风叶LSP

尽管风力涡轮机位于地面，但由于其高度，它们是自然雷击目标。叶片是风力涡轮机中最昂贵的部件之一，叶片越长，其表面以及边缘或尖端被闪电击中的风险就越大。影响可能包括表面损伤、分层、前缘和后缘裂纹，以及可能导致严重长期问题和使用寿命缩短的隐藏损伤。当被闪电击中时，未受保护的风叶会从接触点通过导电部件到根部产生电弧，温度高达30000°C（约54000°F），并可能使叶片爆炸。风力涡轮机的尺寸继续增加，放置在海上的风力涡轮机比陆地上的风力涡轮机更容易受到雷击。

虽然上述LSP产品可有效用于风力叶片，但LMGlasfiber开发了LMLightningProtection，这是一种独特的叶片保护解决方案。目标是设计一个简单、坚固的系统，其使用寿命与叶片的其他部分相同。它由叶片表面的受体和叶片内的导电电缆系统组成，受体拦截闪电，导电电缆系统将电荷输送到接地塔。接收器由特殊的钨合金制成，具有优异的导电性和耐高温性。接收器的表面会随着反复的雷击而部分蒸发，但接收器在需要更换之前可以承受多次雷击，由于接收器的结构简单，这很容易。

保护碳复合材料叶片是一个独特的挑战，因为半导体层压板和受体一样频繁地被闪电击中。在层压板中嵌入金属网是不可取的，因为与网接触的雷击会产生必须检查和修复的损坏。LMGlasfiber技术咨询服务主管杰斯珀M^nsson(JesperM^nsson)表示：“修理或更换海上风电场的叶片太贵了。”该公司采用了飞机天线罩中使用的分流器条的想法。由此产生的分段分流器使用许多小的、紧密排列的气隙，在闪电存在的情况下电离，以引导电流穿过受保护的表面，而不是将其传导。该系统需要仔细设计，因为金属导体和碳复合材料的结合会产生电压电势，这是由于材料的电导率不同造成的。在撞击过程中，这些导电部件之间可能会产生火花，随着时间的推移，会导致破坏性的碳化和不需要的新导电路径。

为了在风力涡轮机叶片运行后最大限度地减少叶片维修/维护，LMGlasfiber开发了LM叶片监测系统，该系统不仅记录了每次雷击事件，还记录了其最大电流、上升时间和比能量。该系统使风电场操作员能够通过无线连接将数据直接发送到计算机，然后可用于评估叶片状况并确定涡轮机是否损坏。LMBladeMonitoring原型已经运行了两年，近70000个叶片配备了LMLightningProtection。“

修复受保护的表面

雷击后，必须进行适当的维修，以恢复导电路径。AbarisTraining（内华达州里诺）高级讲师卢·多尔沃斯(LouDorworth)在SAMPE2006研讨会（加利福尼亚州长滩）上发表的一篇技术论文得出结论，目前用金属网和薄膜粘合剂修复复合材料结构的LSP的方法通常会导致表面孔隙，从而允许水分进入。在进行了一系列修复实验后，多尔沃斯发现使用网状嵌入表面膜可以减少或消除碳复合材料夹层结构上的表面孔隙。他还发现，通过使用单独的网格层和表面膜，使膜与网格重叠，并在修复边缘周围提供足够的圆角，可以获得最佳的表面。与目前的方法相比，这种方法用表面膜代替最外层的薄膜粘合剂，以将网状物粘合并密封到网状物界面上（修复补丁网状物必须粘合并密封在原始表面网状物上，以恢复导电路径）。

补充图片:MFFD的雷击保护