引言

雷電是影響飛行安全的重要因素。在現代飛機的制造中，以碳纖維增強復合材料（CFRP）為代表的先進復合材料的應用日益廣泛，同時使得雷擊防護問題變得更加突出。

相比于傳統的鋁合金等金屬材料，CFRP 材料的電導率要低得多，遭受雷擊后能量的聚集及向材料內部的釋放也要嚴重得多。在雷電流聲沖擊、焦耳熱、洛倫茲力等多種效應的耦合作用下，復合材料結構會在表面形成明顯的可見損傷，并因電流向結構內部的注入和能量累積而形成更為顯著的內部損傷，嚴重影響材料的結構完整性和可靠性。

復合材料雷擊防護（LSP）的主要目標是在結構外部構建一條安全的電流傳導路徑，確保絕大部分的電流僅停留在表面，并且能在不引起嚴重損傷的情況下迅速導走。傳統防護層防護方法主要是在復合材料表面附著一層具有高導電性的材料作為導電層，例如導流條、銅網等。除此之外人們也在探索更加輕質高效的防護材料技術，例如碳納米涂層、樹脂基材料電性能改進等。為準確掌握雷擊致損機制、有效評估防護效果，大電流與復合材料作用過程的試驗、測量和仿真技術也逐步發展和完善。國內外學者從不同側面對這領域的技術發展進行了綜述。我們團隊自 2011 年開展復合材料雷擊損傷效應方面的研究，在碳纖維復合材料的雷擊致損過程及損傷機理分析、電導率隨雷擊過程溫度變化特征、雷擊條件下多參量觀測等方面開展了系統的研究。本文主要基于國內外資料調研和我們實驗室的研究成果，從 CFRP 材料雷擊效應試驗、分析及防護材料新進展的角度加以回顧和分析。

1?復合材料雷擊防護方法

1.1傳統防護層方法

1.2新型抗雷擊復合材料

采用 LSP 防護層的傳統防護方法雖然行之有效，但仍然存在較大局限性。不僅會增加結構重量，而且防護層的存在有可能會因妨礙樹脂汽化后的泄放而導致更嚴重的損傷。因此，新型雷擊防護復合材料也在不斷探索之中。這些材料通常是在保證結構整體力學性能的情況下，通過在基體中加入具有更高導電性的粒子來改善材料的整體導電性，從而提高抗雷擊能力。

美國橡樹嶺國家實驗室的 Vipin Kumar 等人基于聚苯胺基導電樹脂制備了四種厚度方向電導率不同的CFRP 材料，結果表明，厚度方向電導率為 110 S/m 的材料雷擊后可保留 92% 的剩余彎曲強度。東京農業技術大學的 Kamiyama 等人對環氧樹脂、雙馬來酰亞胺及聚醚醚酮三種不同基體的碳纖維增強復合材料進行了雷電流 A 分量測試及損傷對比，結果表明，雙馬來酰亞胺及聚醚醚酮基體材料的抗雷擊性能要優于環氧樹脂基體材料。哈爾濱工業大學的 Z. J. Zhao 等人也研制了一種基于馬來酰亞胺基體的 CFRP 材料，并制備一種輕質導電薄紗交織到 CFRP 材料中，在不影響靜態機械強度的情況下，顯著改善了厚度方向的電導率，提高了雷擊防護性能。西安交通大學的 Ben Wang 等人提出了一種滲透輔助樹脂膜輸注法，通過使還原氧化石墨烯在復合材料表面積聚來實現雷電防護，測試結果表明，此方法可顯著改善材料的雷擊防護性能，提高雷擊后的剩余強度，而且可以提高材料的耐熱性。Kuma 等人近期分析了復合材料雷擊損傷的影響因素，總結了不同組成成分及參數下的復合材料的抗雷擊性能。

從復合材料雷擊防護方法的研究情況看，對復合材料雷擊防護效果的評估，主要通過與未防護材料的雷擊損傷情況的對比進行驗證。受設備條件及實驗成本等限制，不僅有些測試電流與標準

中要求的波形參數有較大差別，測試的樣本量也十分有限，因此傳統的損傷檢測途徑需要不同物理量的在線測量和仿真分析配合，以更好的理解與評價各個物理量的影響機制和防護方法的有效性。

2?復合材料雷擊致損效應仿真分析

2.1復合材料雷擊通道接觸過程模擬

2.2復合材料雷擊多物理場耦合損傷效應

3?復合材料雷擊致損過程特征參量觀測

4?復合材料雷擊在線監測新方向

5?結語

復合材料在現代飛機制造中具有廣闊的應用前景。但隨著其應用范圍的增加，特別是擴展到機身、機翼等與飛行安全息息相關的初級結構中后，復合材料的雷擊防護重要性更加突出。隨著新技術的發展及加工工藝的進步，新的 LSP 材料和方法不斷問世，向著輕質、高效、多功能的方向發展。為加快新材料的研發和應用，需要進一步完善復合材料雷擊防護優化設計方法和性能評價體系；配合這一工作的開展，需要同步加強雷電流對材料及防護層的作用過程的數值仿真方法和實驗觀測手段的研究。