雷擊保護復合材料結構
各種金屬網和膨脹箔產品，如Dexmet提供的產品，可供復合材料制造商用于復合材料的雷擊保護
風力葉片制造商LMGlasfiber的雷電測試程序包括全尺寸測試，如圖所示，測試對象為35米/115英尺的葉片。新的（草案）SAEARP5416和EUROCAEED105程序中描述了測試方法，這些程序正在取代之前的美國MIL-STD-1757A
LMGlasfiber沿葉片長度安裝了多個接收器，并將其連接到內部導電系統，用于長度超過25m/82英尺的葉片上的LSP，以及所有碳纖維風力葉片和海上渦輪機上的葉片
IntegementTechnologies生產剝離粘貼貼花，用于為復合材料結構提供有效的雷擊保護
亞當飛機A500雙引擎螺旋槳飛機的模壓碳纖維/環氧樹脂發動機罩具有一層銅網外層（插圖），用于雷擊防護
用膨脹鋁箔LSP保護的凱夫拉爾復合材料面板（左）和用Hollingsworth&Vose的新型鍍鎳碳纖維LSP面紗保護的凱弗拉爾復合面板（右）的雷擊測試結果。兩個面板都通過了測試。
兩個雷擊測試面板：頂部的一個顯示了由于缺乏雷擊保護而導致的燒穿；底部面板由StrikeGuard LSP預浸料保護，僅顯示局部表面損壞
通用航空飛機、大型商用噴氣式飛機和風力渦輪機容易受到雷擊。例如，美國聯邦航空局認證的飛機通常每年會遭受一到兩次撞擊。與金屬結構不同，這些應用中的復合結構不易傳導雷擊產生的極端電流和電磁力。復合材料要么根本不導電（如玻璃纖維），要么導電性明顯低于金屬（如碳纖維），因此雷擊產生的電流會尋找可用的金屬路徑。因此，自30多年前第一批復合材料用于飛機以來，雷擊防護（LSP）一直是一個值得關注的問題。
如果閃電擊中未受保護的結構，高達200，000安培的電流會尋找阻力最小的路徑。在此過程中，如果電流穿過緊固件周圍的間隙，它可能會蒸發金屬控制電纜，焊接控制表面上的鉸鏈，并爆炸油箱內的燃料蒸汽。這些直接影響通常還包括直接沖擊區域的樹脂蒸發，以及層壓板的可能燒穿。當結構中的磁場和電勢差感應出瞬態電壓時，就會產生間接效應，這可能會損壞甚至摧毀沒有電磁場屏蔽或防雷保護的機載電子設備。對復合結構保護的需求促使了許多專用LSP材料的開發。“
保護基礎
LSP策略有三個目標：提供足夠的導電路徑，使雷電流保持在結構的外部；消除該導電路徑中的間隙，以防止在連接點產生電弧和燃料蒸汽著火；通過仔細接地、EMF屏蔽和在必要時應用浪涌抑制裝置，保護接線、電纜和敏感設備免受損壞的浪涌或瞬態。
傳統上，復合材料結構中的導電路徑是通過以下方式之一建立的：
（1）將鋁箔作為外層粘合到結構上；
（2）將鋁或銅網粘合到結構上，作為外層或嵌入一層；
（3）將導電材料線結合到層壓板中。
所有這些都需要將導電路徑連接到飛機的其他部分，以便為電流提供足夠數量的路線，從而安全地離開飛機。這通常是通過使用金屬粘合條（即電粘合）將導電表面層連接到內部“接地平面”來實現的，該平面包括發動機、導管等金屬部件。由于雷擊可能會附著在復合結構中的金屬緊固件上，因此可能需要通過用塑料帽或聚硫化物涂層封裝緊固件螺母或套筒來防止它們之間產生電弧或火花。
為了保護外表面，已經開發了許多金屬和金屬化纖維產品，通常是織造和非織造篩網以及膨脹箔。這些網狀產品使閃電電流能夠快速穿過結構表面，從而減少其焦點。LightningTechnologies股份有限公司（LTI，Pittsfield，MA）的高級工程師埃德·魯普克（EdRupke）表示，鋁線是最早的LSP材料之一，與碳纖維交織作為層壓板的一部分。然而，使用鋁和碳纖維有電偶腐蝕的風險（當兩種不同的金屬與電池的作用相似時，導致充當陽極的金屬腐蝕）。銅線減輕了電偶腐蝕的威脅，但重量是鋁的三倍。隨著玻璃纖維復合材料在飛機上的應用，該行業研究了箔，然后膨脹箔，可以與層壓板的外層共固化。涂層纖維（鎳或銅電沉積在碳和其他纖維上）也被使用，但在EMF屏蔽應用中的性能比直接雷擊保護要好得多。“
金屬網和膨脹箔
Astrostrike鋁網由AstrosealProducts（康涅狄格州切斯特）從固體箔中生產，然后對其進行穿孔和膨脹，以提高可成形性并增強與復合材料結構的附著力。Astroseal聲稱，其產品的導電性明顯高于編織網，同時與金屬化纖維產品相比可以減輕重量（見“金屬化織物和纖維”，第47頁）。Cirrus（明尼蘇達州德盧斯）在其FAA認證的SR-20和SR-22單引擎活塞動力飛機的玻璃纖維復合材料機身上使用Astrostack。Astrostrike鋁網嵌入復合材料層中，3英寸至4英寸（76毫米至102毫米）的金屬條沿飛機長度延伸，將飛機表面與框架電連接。該公司知道Cirrus飛機遭受了兩次雷擊：一次擊中了螺旋槳尖端，穿過了發動機；另一架穿過機身，穿過飛機圖形上的金屬薄片涂料離開。這兩起事件都是按照設計通過飛機進行的，沒有造成人員傷亡或嚴重損壞結構或設備。飛行員能夠毫無問題地飛回家。機身工程總監保羅·布里（PaulBrey）表示，Cirrus正在評估一種更薄、更輕的Astrostrike產品，作為制造升級，以改善表面光潔度并降低制造成本。
AdamAircraft（科羅拉多州恩格爾伍德）制造了美國聯邦航空局認證的雙螺旋槳（直列推/拉）加壓A500飛機，并正在完成其A700噴氣式飛機的美國聯邦航空管理局認證。兩者都有碳纖維復合材料機身，并使用Astrostack非織造銅網，消除了碳復合材料的電偶腐蝕風險，厚度只有幾密耳。“我們幾乎在整架飛機上都使用它，”結構首席工程師凱瑞·曼寧（KerryManning）解釋道。“它增加的厚度很小，因為它是作為第一層鋪起來的，其余的層壓板都建在它上面。”
AdamAircraft在開發期間聘請LTI擔任LSP顧問，并在為期六個月的A500LSP系統FAA認證過程中擔任雷擊測試公司。亞當飛機公司知道，到目前為止，其A500飛機遭到了一次襲擊，對機身造成了輕微的損壞。曼寧表示：“早期使用LTI節省了大量時間，并幫助我們避免了許多陷阱。”
然而，曼寧指出，完成步驟必須謹慎進行。他解釋說：“我們像往常一樣涂底漆和油漆，但我們了解到必須控制油漆厚度。”。“如果油漆太厚，閃電不容易傳導到銅網，最終會造成損壞。”A500和A700還在機翼和機身之間使用金屬連接帶，建立接地平面，用于連接機身和航空電子設備。
許多供應商提供膨脹箔，這種箔不需要更昂貴的織造工藝來生產，據報道，它比織物具有更高的懸垂性和一致性。Dexmet（康涅狄格州瑙加塔克）為飛機提供各種導電金屬產品，包括鋁、銅、磷青銅、鈦和其他材料。Dexmet準備修改任何設計以滿足精確的客戶需求，并與客戶合作測試和評估定制和標準LSP設計。Dexmet聲稱是全球唯一一家提供48英寸/1219毫米寬度的0.004英寸/0.1毫米擴展鋁的公司，這可以降低應用過程中的勞動力成本。
Strikegrid是一種磷酸陽極氧化連續膨脹鋁箔(CEAF- continuousexpanded aluminum foil)產品，由M.C.GillCorp.集團旗下的Alcore(馬里蘭州埃奇伍德)供應。由于專有涂層，它聲稱具有優異的耐腐蝕性和環境壽命。它以24英寸至36英寸(610毫米至914毫米)寬、2mil和4mil(0.05mm和0.10mm)厚的連續卷供應。
在歐洲，鋁LSP網由ECCGmbH&Co.KG(前身為德國HeekNienborg的C.Cramer&Co.)供應。DiamondAircraft（加拿大安大略省倫敦市）在其復合機身DA40飛機上使用了這種網狀物，該飛機由奧地利開發，并獲得了奧地利聯邦航空局的認證。該公司在加拿大的活塞發動機項目工程經理唐·烏芬（DonUffen）介紹了DA40的雷擊保護系統，“鋁網用于玻璃纖維飛機結構的雷擊區域，也用于翼尖附近的碳復合材料機翼蒙皮。”使用的LSP織物是ECC的3K碳纖維2x2斜紋織物，帶有鋁線（459型）。據報道，環氧樹脂有助于防止鋁網和碳纖維復合材料之間的電偶腐蝕。這架飛機的雷電防護由Culhamlightning有限公司（英國牛津郡阿賓頓）測試。烏芬說：“所有表面和結構都是通過鋁管導管的冗余路徑和相互連接的扁平鋁帶進行電氣連接的，鋁管導管用于將線束穿過飛機。”。“管道和帶子的尺寸已經確定，以確保它們能夠承載所需的雷電流，以防止損壞。”DA42的防雷保護基本相同，盡管它使用的碳復合材料比DA40多。“
Ply集成LSP
最新的發展是“一體化”LSP預浸料，其中包含預嵌入的編織或非織造金屬網，這些發展是如此之新，以至于在最近的許多飛機項目中都沒有考慮過。
據供應商介紹，這些產品在疊層中首先應用，大大降低了配套和制造成本。
StrikeGuard LSP預浸料由APCM(康涅狄格州普萊恩菲爾德）制造，通過合作伙伴/分銷商AdvancedMaterials andEquipment(康涅狄格州Barkhamsted)銷售并得到其支持。APCM的LSP預浸料由浸漬有熱熔粘合劑樹脂的織造或非織造金屬網制成，這些樹脂經過添加劑改性以提高基質的導電性，使整個預浸料成為導電系統。金屬網選項包括各種尺寸的銅、鋁、磷青銅和鎳/銅涂層聚酯纖維，重量從0.08lb/ft2到0.060lb/ft2不等。預浸料還提供輕質非織造玻璃纖維面紗，可增強表面光潔度，減少孔隙率，并在涂漆前進行二次精加工。
使用StrikeGuard等組合式預浸料/面紗系統可確保網狀物完全被樹脂潤濕，與單獨鋪設樹脂膜和干網狀物相比，可降低空氣滯留的風險。為了便于操作，StrikeGuard預浸料的一側配有紙張脫模劑，另一側配有聚合物脫模劑?？梢灾付?英寸/25.4毫米的無面紗邊緣，以便通過重疊相鄰的層來實現導電性。StrikeGuard被全球幾家通用航空制造商使用。
漢高公司(加利福尼亞州灣點)的LSP表面膜將其SynSkin復合表面膜和Hysol薄膜粘合劑與Astroseal的輕質導電Astrostack屏幕相結合，提供了一系列雷擊表面膜。據報道，它們簡化了處理和疊層，并提高了固化部件的表面質量。篩網還可以降低涂裝表面處理的成本，減少原材料零件數量和配套時間，并且可以與預浸料共固化。據報道，SynSkin獨特的填充材料和樹脂基質組合使其在固化后幾乎不可能砂透，與所有環氧薄膜粘合劑相比，在砂填操作中為導電屏幕提供了更好的保護。
氰特(CytecEngineeredMaterials-亞利桑那州坦佩)還生產薄膜粘合劑和包含穿孔箔的表面處理薄膜形式的LSP產品。FM-300和FM-1515-3是結構薄膜粘合劑，專為希望只有一種材料同時適用于結構和LSP用途的客戶開發。Cytec將SURFACEMASTER 905復合表面膜稱為其下一代LSP產品。根據產品開發經理達利普·科利博士的說法，“SURFACEMASTER905是專門為生產沒有針孔或任何表面缺陷的復合結構而設計的。”他繼續說道，“孔隙率是一個問題，當添加金屬網等雷擊材料時，這個問題只會變得更糟。SURFACEMASTER 905可以嵌入擴展銅網(ECS)或擴展鋁網(EAS)，這樣就很容易實現無缺陷的表面和雷擊保護。”據報道，SURFACEMASTER905像薄膜粘合劑一樣柔軟懸垂，薄膜中含有足夠的樹脂，可以在不損壞嵌入式金屬網的情況下進行表面打磨。根據氰特(Cytec)的說法，該產品通過了由lightningTechnologies股份有限公司進行的一系列雷擊測試，包括1A和1B區的測試，并獲得了波音、空中客車、貝爾、龐巴迪和巴西航空工業公司等主要原始設備制造商的資格。該產品以36英寸至54英寸寬（91.4厘米乘137厘米）的卷狀供應，厚度約為5密耳（0.13mm）。
赫氏(Hexcel-康涅狄格州斯坦福德)表示，與更傳統的材料相比，其各種LSP組合可以減輕重量和制造成本，并被用于飛機和風力渦輪機。赫氏(Hexcel)可以將其HexWebCR-PAA(磷酸陽極氧化)鋁箔作為獨立產品供應，也可以將其與預浸料和/或粘合劑組合成多層LSP系統。此外，該公司的Redux粘合劑和HexPly樹脂可以與青銅、銅、鋁網或膨脹箔配對。一個更不尋常的選擇是該公司的InterwovenWireFabrics，其特點是將小直徑的金屬絲編織到碳布織物中，以創建單層LSP系統。該系統的線材選項包括磷青銅、鋁和其他材料，它們可以以各種線材濃度融入各種編織風格中，然后可以用赫氏(Hexcel)樹脂預浸。如果需要隔離碳復合材料層，赫氏(Hexcel)可以將玻璃纖維織物結合到任何包括金屬箔或網的多層產品中。“
金屬化織物和纖維
幾家公司提供可用于生產LSP織物的金屬化織物和/或金屬化纖維。DiamondFiberComposites(俄亥俄州辛辛那提市)使用該公司所謂的“化學鍍”工藝，在碳纖維上涂覆各種金屬，包括鎳、銅、銀、金、鈀、鉑和金屬混合物(多層涂層)，這是一種完全基于化學的涂層工藝，據報道，它比電鍍工藝提供了更均勻的涂層。這些涂層纖維可以作為連續的纖維長度、短切纖維、機織物和非織造面紗/墊獲得。
ElectroFiberTechnologies(康涅狄格州斯特拉特福德)提供涂覆在碳、石墨、玻璃、聚酯和其他合成纖維上的單金屬或雙金屬混合物。該公司供應短切纖維(長度低至1毫米/0.04英寸)和3K至80K的連續絲束，以及非織造面紗和墊子。
TechnicalFibreProducts(紐約州紐堡)提供使用碳、鍍鎳碳、鍍鋁玻璃、碳化硅、不銹鋼和鎳纖維的導電非織造墊和面紗。該公司還可以使用獨特的濕法鋪設技術定制混合纖維、顆粒和粘合劑。
TextileProducts股份有限公司(Anaheim，California)提供由AS4-3K碳纖維和鋁線制成的#4607216 g/m2碳/鋁混合織物。它還提供4608218 g/m2的T650/35-3K碳纖維和鋁線混合動力車。兩者都是平紋織物，厚14密耳，寬107厘米/42英寸。
Varinit(南卡羅來納州格林維爾)提供導電增強織物，開發和制造符合客戶規格的產品。作為鋁和銅LSP產品(如上文所述的AdamAircraft和下文所述的EpicAircraft使用的銅網)的替代品，Hollingsworth&VoseCo.(馬薩諸塞州東沃波爾)的AFN高級纖維非織造布集團(佐治亞州霍金斯維爾)開發了一種新的鍍鎳碳纖維非織造材料。這種新型LSP面紗已由LightningTechnologies股份有限公司(LTI)進行測試，并通過了最嚴重的1A區雷擊測試(見“保護要求”，第47頁)。在最近的SAMPE2006演示文稿中詳細介紹，鍍鎳碳紗與鋁金屬網相比表現良好，由于鍍鎳碳紗能夠在面板的整個表面上分配能量，因此不會對LSP下方的任何纖維造成損壞。據報道，這種靈活、輕便、高導電的LSP面紗比鋁網產品更容易處理和維修，不需要隔離層來防止電偶腐蝕，簡化了制造，并提供了重量和成本優勢。“
將LSP綁定到飛機系統中
LSP產品只有在充分融入飛機的整體保護系統時才能提供足夠的保護—這項工作有時會考驗飛機制造商的創造力。例如，EpicLT和EpicJet均采用碳復合材料機身，由EpicAircraft（俄勒岡州本德）制造，采用標準銅網，但融入了創造性元素。當復合材料機翼、機身蒙皮和水平穩定器疊放時，銅柄（用作連接點的薄或尖的突出物）被放置在層壓板內作為導電硬點，不僅接觸嵌入的銅網，還接觸橋接機身和機翼之間間隙的粘合帶。EpicAircraft使用薄膜來減少銅網造成的表面孔隙。另一個創新特征是Epic使用導電粘合劑將靜電芯連接到飛機的接地表面網格中。這種粘合劑經過改性以傳導電流，雖然它不是為雷擊而設計的，但它在提供分散靜電的連接方面效果很好。
波音公司（華盛頓州西雅圖）為其復合材料密集型中型787商用客機開發了一種多層次的雷擊防護策略。波音公司計劃在復合材料機身和機翼的外層使用薄金屬網或箔，以快速消散和引導電荷到機體外，并屏蔽機載電子設備。為了避免機翼蒙皮緊固件與其孔之間的微小間隙，這可能會引發火花，波音公司將精確安裝每個緊固件，然后將其密封在內部。波音公司將使用非導電膠或玻璃纖維密封機翼蒙皮與內部翼梁相交的邊緣，以防止間隙，這可能會使電子在雷擊時噴出，這種現象被稱為“邊緣發光”。在油箱中，波音公司將通過安裝氮氣發生系統（NGS）來消除燃料蒸汽爆炸的威脅，該系統通過用惰性氮氣填充空間來最大限度地減少機翼油箱中的易燃蒸汽。“
附加LSP
IntegementTechnologies（紐約州托納萬達）開發了各種聚合物基、剝離式和粘貼式貼花，可以在施工后安裝在復合材料表面上。據報道，這種貼花是為數不多的可用于對現有結構進行LSP改造的產品之一，比傳統的嵌入式網狀產品更輕，降低了維修成本和難度。由于它們被放置在復合材料表面上，損壞往往僅限于貼花，通?？梢栽诓磺谐苡绊憛^域的情況下進行修復：受影響的貼花部分只需被移除并替換為新的貼花區域。如果被閃電擊中，這些貼花必須更換，但這對LSP來說很常見，因為嵌入式產品的樹脂通常會蒸發，需要維修。
這些產品有6英寸/152毫米的膠帶和薄膜，寬度可達36英寸/914毫米，也可以定制尺寸以滿足特定的應用要求，厚度通常為3密耳。它們的成本從每平方英尺17美元到50美元不等。目前的應用不僅包括飛機，還包括風力渦輪機葉片。
閃電轉移系統公司（加利福尼亞州亨廷頓海灘）開發了一種用于復合材料外表面的薄“保形屏蔽”產品。屏蔽層重量輕，表面光滑，可防止直接或間接雷擊。VoughtAircraft和KamanAerospace正在使用該產品，該產品比機加工金屬網更昂貴，但也可以拉伸，從而增強了對復雜曲率的適應性。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，采用鋁或銅和鎳鍍層版本，與碳/環氧樹脂層壓板一起使用時消除了電偶腐蝕的風險。該公司還生產用于天線罩的分段雷電分流器條，該條由直徑非常?。?.01英寸/0.25毫米）的金屬盤組成，這些金屬盤排列在薄（0.005英寸至0.010英寸或03毫米至0.25毫米）的層壓條上。圓盤之間的間距允許上方的空氣電離，從而在分流器條上方的通道中安全地引導閃電。與箔產品相比，它們提供了永久性的多層保護，箔產品在雷擊時會蒸發，而且比實心金屬棒重量更輕，空氣動力阻力更低，比內部桿系統的復雜緊固件設計維護更少，對封閉雷達天線的射頻(RF-radio frequency)模式的影響可以忽略不計。
“風葉LSP
盡管風力渦輪機位于地面，但由于其高度，它們是自然雷擊目標。葉片是風力渦輪機中最昂貴的部件之一，葉片越長，其表面以及邊緣或尖端被閃電擊中的風險就越大。影響可能包括表面損傷、分層、前緣和后緣裂紋，以及可能導致嚴重長期問題和使用壽命縮短的隱藏損傷。當被閃電擊中時，未受保護的風葉會從接觸點通過導電部件到根部產生電弧，溫度高達30000°C（約54000°F），并可能使葉片爆炸。風力渦輪機的尺寸繼續增加，放置在海上的風力渦輪機比陸地上的風力渦輪機更容易受到雷擊。
雖然上述LSP產品可有效用于風力葉片，但LMGlasfiber開發了LMLightningProtection，這是一種獨特的葉片保護解決方案。目標是設計一個簡單、堅固的系統，其使用壽命與葉片的其他部分相同。它由葉片表面的受體和葉片內的導電電纜系統組成，受體攔截閃電，導電電纜系統將電荷輸送到接地塔。接收器由特殊的鎢合金制成，具有優異的導電性和耐高溫性。接收器的表面會隨著反復的雷擊而部分蒸發，但接收器在需要更換之前可以承受多次雷擊，由于接收器的結構簡單，這很容易。
保護碳復合材料葉片是一個獨特的挑戰，因為半導體層壓板和受體一樣頻繁地被閃電擊中。在層壓板中嵌入金屬網是不可取的，因為與網接觸的雷擊會產生必須檢查和修復的損壞。LMGlasfiber技術咨詢服務主管杰斯珀M^nsson(JesperM^nsson)表示：“修理或更換海上風電場的葉片太貴了。”該公司采用了飛機天線罩中使用的分流器條的想法。由此產生的分段分流器使用許多小的、緊密排列的氣隙，在閃電存在的情況下電離，以引導電流穿過受保護的表面，而不是將其傳導。該系統需要仔細設計，因為金屬導體和碳復合材料的結合會產生電壓電勢，這是由于材料的電導率不同造成的。在撞擊過程中，這些導電部件之間可能會產生火花，隨著時間的推移，會導致破壞性的碳化和不需要的新導電路徑。
為了在風力渦輪機葉片運行后最大限度地減少葉片維修/維護，LMGlasfiber開發了LM葉片監測系統，該系統不僅記錄了每次雷擊事件，還記錄了其最大電流、上升時間和比能量。該系統使風電場操作員能夠通過無線連接將數據直接發送到計算機，然后可用于評估葉片狀況并確定渦輪機是否損壞。LMBladeMonitoring原型已經運行了兩年，近70000個葉片配備了LMLightningProtection。“
修復受保護的表面
雷擊后，必須進行適當的維修，以恢復導電路徑。AbarisTraining（內華達州里諾）高級講師盧·多爾沃斯(LouDorworth)在SAMPE2006研討會（加利福尼亞州長灘）上發表的一篇技術論文得出結論，目前用金屬網和薄膜粘合劑修復復合材料結構的LSP的方法通常會導致表面孔隙，從而允許水分進入。在進行了一系列修復實驗后，多爾沃斯發現使用網狀嵌入表面膜可以減少或消除碳復合材料夾層結構上的表面孔隙。他還發現，通過使用單獨的網格層和表面膜，使膜與網格重疊，并在修復邊緣周圍提供足夠的圓角，可以獲得最佳的表面。與目前的方法相比，這種方法用表面膜代替最外層的薄膜粘合劑，以將網狀物粘合并密封到網狀物界面上（修復補丁網狀物必須粘合并密封在原始表面網狀物上，以恢復導電路徑）。
補充圖片:MFFD的雷擊保護
原文,《LightningStrike Protection For Composite Structures 》 2006.7.1
楊超凡 2025.3.17
