【科普系列】复合材料雷击防护电热耦合模型

赵淼航空材料学报 2021-04-27

雷击会对飞机造成极大的威胁，据统计，飞机平均每飞行1000～3000 h会遭遇一次雷击，多雷雨地区几乎每年遭受一次雷击。近年来，由于复合材料具有良好的比刚度、比强度、疲劳性能及耐腐蚀等特点，已广泛应用于民机结构，其中，B787飞机复合材料用量达到50%以上，国产C919复合材料用量约20%，CR929大飞机复合材料用量计划达到50%。复合材料相比于传统的金属材料，基体导电性能差，在雷电流直接作用下，更容易产生损伤，严重情况下，对飞机的飞行安全造成威胁。

雷击过程中，复合材料如何产生损伤？

雷电环境下电场将空气电离成正粒子、负粒子和中性粒子，形成等离子体放电通道，大量的能量被迅速传递，电离通道以超音速扩展，如果冲击波遇到坚硬的表面，动能转化为压力，导致材料结构破碎。同时，电阻加热导致温度升高，进而通过热解引发树脂分解。如果燃烧树脂产生的气体被困在基底中，则可能发生爆炸，对结构造成损伤。为了减少雷击造成的损伤，通常采用雷击防护(LSP)系统对复合材料进行防护，雷电流放电与防护系统下复合材料的作用机理如图1所示。

图1 雷电流传导示意图

在雷击附着点处释放的能量由雷电流、放电通道末端和电弧根部的阴极或阳极电压降产生，温度可达到30000 ℃。当雷击放电通道平滑地扫过复合材料表面时，雷电效应会在其表面形成对称的腐蚀斑。通常放电通道不能完全自由移动，一般保持在1(民机最易遭受雷击附着和首次回击的区域)A(雷击闪电通道不能长时间附着的区域)和2(不易遭受首次回击影响，但易受雷击的后续回击影响的区域，容易发生在雷击通道的扫掠区域)A区的金属涂层的附着点上，导致附着点上的金属熔化。在机翼后缘的1B(雷击闪电长时间附着的区域，其主要位于机身、机翼、尾翼的尾端)和2B区，放电通道会持续更长的时间，流经材料的大电流通量瞬间转化为焦耳热，融化掉大量金属。

复合材料雷击防护电-热耦合满足什么

关系？

1.电-热耦合控制平衡方程

雷电环境中存在两种电介质时，雷电流产生的场会对介质中的电荷产生作用，为了分析介质存在时的电场，引入电位移矢量D。

根据焦耳定律，电流流过导体产生的热量可描述为：

所以，在瞬态分析过程中，时间增量内电流通过复合材料产生的热量为：

2.雷击防护的能量平衡方程

对于微元体，依据能量守恒定理，在任意时间段内存在式(4)中的热平衡关系：

所以，热传导可由式(5)所示：

全喷铝防护系统对复合材料雷击损伤

面积的影响

雷击电流波形10/350在峰值电流为75 kA时，根据飞机维修手册分别对不同厚度铝涂层防护下的复合材料层合板进行雷击模拟，列举了0.05 mm、0.10 mm、0.15 mm和0.20 mm厚度的烧蚀云图，结果如图2所示。雷击损伤主要从中心向外扩散，形状为圆形，高温使纤维烧蚀损伤面积加大，铝材料导电性远远大于复合材料，雷击作用时间短，电流主要沿着铝涂层传导出去，铝涂层的热传递使复合材料层合板温度上升，所以在以雷电流为中心的圆形区域出现了烧蚀损伤。

图2 不同厚度铝涂层防护下的雷电流烧蚀模拟结果

(a)0.05 mm；(b)0.10 mm；(c)0.15 mm；(d)0.20 mm

在3组不同峰值的雷电流作用下，拟合不同铝涂层厚度与复合材料层合板烧蚀损伤面积的关系，其结果如图3所示。

图3 不同峰值电流作用下复合材料的烧蚀损伤规律

在相同峰值的雷电流作用下，复合材料的烧蚀损伤面积随着铝涂层厚度的增加而减小。铝涂层厚度相同时，雷电流峰值越大，复合材料层合板的烧蚀损伤面积越大，峰值电流从50 kA增大到100 kA时，复合材料层合板损伤面积约增大1.5倍。因为铝的导电性能比复合材料高许多，铝涂层在高电流作用下会熔融，而且铝的汽化温度较低，所以电流沿着铝涂层向外部传导，铝涂层通过熔融汽化的方式消耗掉雷击通道的大部分能量，较好保护了复合材料。

存在的问题及展望

飞机遭遇雷击，发生损伤是电、热、磁和力等多物理场耦合的结果，且复合材料热电物理性能随着温度变化而产生变化，所以雷击损伤过程较为复杂。目前，国内外学者在飞机雷击领域已取得一些成果，但在飞机雷击防护领域研究较少，此领域研究需进行进一步探索，可以从以下方向进行深入研究：

1.雷击损伤是多物理场耦合形成的，本文建立的雷击防护模型较简单，考虑的因素不够全面，还处在理论研究阶段，在以后的研究中，可以考虑磁和力等因素，进一步对模型进行完善，并在工程中实践应用；

2.在接下来的研究中，基于MSG-3中的L/HIRF防护思想，可以对不同防护系统的雷击防护性能进行相关分析，对防雷击设计和持续运营安全更有工程价值。

作者：赵淼，中国民航大学航空工程学院

发表论文：

复合材料雷击防护电热耦合模型

卢翔, 赵淼, 单泽众, 罗名俊

2019, 39(4): 49-58.

doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2019.000007

基于热力耦合层合板雷击损伤特性分析

卢翔, 罗名俊, 赵淼, 单泽众