雷電可能兩次擊中同一目標。對于飛機而言，甚至可能多次遭受雷擊。由高導電性鋁材制造的飛機，即便遭遇最極端的20萬安培電流沖擊，也能迅速將電流傳導至機身并釋放。然而，對于采用導電性較低的碳纖維復合材料或非導電性玻璃纖維制造的飛行器，雷擊防護（LSP- lightning strike protection）至關重要。

根據加拿大皇家空軍發布的統計數據，飛機平均每1000至3000飛行小時就會遭受一次雷擊。對于民用飛機而言，這相當于每架飛機每年遭受一次雷擊。盡管波音公司（位于伊利諾伊州芝加哥）報告稱，最壞情況下的雷擊概率可能低至每10至15年發生一次，但飛機設計必須能夠承受此類雷擊。波音公司最近在其《AERO》雜志中報道，從雷擊開始到結束的這段時間內，飛機飛行的距離會超過其自身長度。因此，電荷會在初始點之后的其他位置重新附著，導致入口點發生變化。這可能會造成多個燒蝕區域或其他損害，直接威脅飛機的結構完整性，并產生間接影響，包括對無線電設備、航空電子設備或其他電氣操作裝置（如當電勢差或磁效應引發瞬態電壓尖峰時的燃油閥）的損壞。此外，當電流沿金屬緊固件弧光放電并點燃燃油蒸氣時，已發生致命事故。

在過去的三十年里，隨著LSP解決方案在飛機上的應用擴大，它們已被廣泛用于復合材料。每個飛機OEM的設計團隊在飛機的不同區域處理該問題的方式不同，因此每個飛機模型都有一個獨特的系統。盡管金屬網和層集成的編織線是直接效果的通常選擇材料，但LSP的創新者正在開發新的、重量較輕的和/或更有效的加工選項。在這里，HPC更新了LSP市場上的讀者（見我們之前在“復合材料的閃電防護”中的報道，在右上角的“編輯的選擇”下），重新審視了現有的供應商，并引入了幾個新的參與者。

創建導電性

LSP必須在整個飛機外部提供低電阻的連續導電路徑，并在最有可能連接閃電的區域提供額外的保護。簡單地說，1A區（雷達天線罩或機頭、翼尖、短艙和尾翼末端）是美國聯邦航空管理局要求的。的（FAA）聯邦航空條例（第23、25和27部分），以承受200000安培的初始閃電連接和首次返回沖程。很少看到直接撞擊的區域（如機身）需要處理較小的電流，并且必須簡單地在閃電連接點之間傳導電流。有關其他區域要求，請參見航空航天推薦規程（ARP）5414A，2005，可從SAE International（賓夕法尼亞州沃倫代爾）獲得。

為了創建導電路徑，復合材料飛機外殼中的金屬—通常是嵌入表面薄膜中的精細、輕質的網格或箔，或嵌入外部層壓板層中的電線—被放置在與金屬粘合帶或其他連接外導電表面到金屬接地平面的結構（例如機身中的發動機或金屬導管）接觸的位置。為了防止閃電電荷附著到金屬緊固件上，然后電弧或火花，緊固件可以用塑料封裝或以其他方式密封，或者可以用通向接地平面的金屬條覆蓋。即使飛機的油漆或其他表面也必須考慮。如果裝飾材料的厚度超過9密耳，則它們將導電網或箔放置在離表面太遠的地方，這會增加電阻并有更大的損壞風險。

金屬LSP產品主要由鋁和銅組成。鋁是LSP的首批選擇之一，因為它的重量輕，但與碳纖維層壓板接觸時的電偶腐蝕風險是一個問題，玻璃纖維的隔離層增加了重量。此外，如果水分穿透復合材料蒙皮，可能會發生鋁腐蝕。銅消除了電偶反應的風險，但重量至少是鋁的兩倍。為了抵消寄生重量，設計師多年來一直在研究新的多功能方法，如導電涂料和低電阻結構層壓板。威奇托州立大學國家航空研究所的尤莉婭·科斯托戈羅娃·貝拉博士目前正在研究減少復合材料飛機上的直接和間接閃電影響的方法，她說：“當復合材料首次采用時，最初沒有認識到雷擊問題，因此快速解決方案是將金屬引入飛機，這往往會抵消復合材料帶來的好處。沒有人真正重新研究過一種可以減輕重量的新解決方案。”

標準：金屬網

金屬網和膨脹箔（銅和鋁）仍然是直接LSP效應最常用的LSP解決方案，因為它們表現出處理大規模雷擊電流水平所需的高電導率和高汽化熱。Dexmet（沃林福德，康涅狄格州）是波音公司LSP材料的獨家供應商，還為巴西航空工業公司（Embraer）、空中客車公司（Airbus）、龐巴迪公司（Bombardier）和許多其他較小的原始設備制造商提供產品開發副總裁肯·穆爾（Ken Mull）表示：“重量顯然是商用飛機的一個問題—我們使我們的產品盡可能輕，以提供保護，因為它們不會貢獻結構強度?！?/p>

Dexmet使用一種有100年歷史的金屬加工工藝制造商標為MicroGrid的膨脹金屬箔（鋁、銅、磷青銅、鈦等），該工藝最初用于制造其他行業的鋼格板、樓梯踏板和貓道（catwalks）。在該公司的一臺專有機器的皮帶上放置了一個非常薄的金屬箔。位于箔片上方的齒形模具落下并撕裂箔片，同時，拉動和拉伸箔片以形成菱形網格。擴展網格的面積重量由起始箔厚度確定。菱形開口的尺寸可以通過改變模具來定制。“狹縫和拉伸的方法比編織更好，因為它消除了任何可能的解開或松散的股線，這在加工過程中可能是有問題的，并導致電氣連接的損失，” 穆爾解釋說。與編織網相比，膨脹金屬更光滑，“凸起”更小，并且顯示更少的印刷通過，據報道，在制造過程中，膨脹金屬更好地附著在其宿主薄膜或粘合劑上。Dexmet擁有100臺狹縫-拉伸機，可以生產大量寬度高達48英寸/123米的膨脹箔和金屬網，據報道是業內最寬的，公差非常小。

產品范圍從超輕型0.010磅/平方英尺到更典型的0.040磅/平方英寸（適用于1A區），到重型產品（例如，1600 gsm/0.327磅/立方英尺2），用于鉚釘線。

穆爾說，Dexmet將直接向Cirrus Design Corp.（明尼蘇達州德盧斯）提供擴展銅箔，用于該公司的Cirrus Vision SF50個人噴氣式飛機，這是一種全碳復合材料設計。當飛機生產開始時，西銳公司正在與其預浸料供應商合作，將網格集成為結構預浸料的外層。然而，通常情況下，指定的網格通常發送給中間材料供應商，在那里它被納入外部表面薄膜（見下一節）。

負責SF50 LSP系統的工程師尼克·賈德森表示，對幾種解決方案進行了評估，但選擇Dexmet s是因為它是一種經過驗證的材料，對飛機來說重量有效，最終，它具有成本效益。賈德森說，鋁不是一種選擇，因為它有可能與碳發生電偶反應。最終的箔片重量將很快確定。

其他擴展的箔片和網格提供商包括Astroseal Products（Chester，Conn.），這是一家面向軍事和商業客戶的著名供應商。它的商標Astrostrike鋁網已被Cirrus Design用于保護Cirrus SR-20和SR-22活塞式發動機復合材料飛行器。M.C.Gill Corp.（加利福尼亞州埃爾蒙特）子公司Alcore Inc.（馬里蘭州Edgewood）制造了一種連續膨脹鋁箔（CEAF），商標為Strikegrid，經過磷酸陽極氧化和涂層，以防止電偶問題和腐蝕。Alcore聲稱其材料是可用的性能最高的LSP材料。

Niles International（Niles，Ohio）在Bender GmbH（德國Siegen）制造的機器上生產商標為Aeromesh膨脹箔和網。作為1960年的初創企業，Niles Expanded Metals為工業和建筑市場制造了膨脹鋼。Niles于2008年成立了NExT Aerospace，以擴大其LSP的產品組合。作為第一個獲得ISO AS9100認證的LSP金屬供應商，Niles與Bender合作，在美國和歐洲制造擴展的金屬產品，尋求“有保證的供應”。（通過Bender，Aeromesh提供給法國圖盧茲的空中客車維修廠。）Niles強調質量控制，并在其機器上使用基于攝像頭的檢查系統來檢測斷裂和其他缺陷。

集成LSP材料

許多航空航天供應商提供與粘合劑薄膜、表面薄膜或預浸料預先復合的膨脹金屬網。其中最廣泛使用的是來自氰特的SURFACE MASTER，這是一種嵌入膨脹箔的環氧基表面薄膜。氰特負責航空粘合劑應用的研發總監達利普·科利報告說：“SURFACE MASTER幾乎適用于當今的每一個飛機項目，包括波音787、空客A350 XWB和HondaJet（本田公務機）”?？评又f，該產品自推出以來已經發展到許多定制版本，包括一個適合通過自動鋪帶（ATL- automated tape laying）工藝應用的版本。

氰特的SURFACE MASTER通過從幾個供應商購買客戶指定的擴展箔和網格來定制膠片，并生產寬度高達48英寸/12米的膠片，并配有離型紙襯墊。

與所有結構碳/環氧樹脂預浸料兼容，并在相同的溫度下固化?？评f，脫模后，固化的表面薄膜是可砂磨的，沒有孔，可以上漆。“它對車間非常友好，易于使用，并且可以很容易地在模具中重新定位，”他說?！盀楣澥「鄷r間，底漆并非必要，因為我們的測試表明，涂料可直接附著于薄膜表面，且不會出現透印現象?！?科利報告說，該公司目前正在開發下一代版本的SURFACE MASTER，該版本將提供更輕的重量和更快的層壓板覆蓋。

赫氏（Hexcel）繼續提供其商標為Redux環氧薄膜粘合劑和HexPly預浸樹脂，這些預浸樹脂包括青銅、銅或鋁網或膨脹箔，用于LSP應用。該公司還為較低能量的LSP區域（如機身）制造交織金屬絲網（IWWF- interwoven wire fabric）。小直徑電線（磷青銅、鋁、銅等）編織成碳布，以創建單層LSP系統。不同的編織風格和一系列的電線尺寸是可用的，該公司表示，IWWF織物可以用Hexcel樹脂預浸。如果需要隔離碳層壓板以防止電偶腐蝕，則IWWF織物可以用額外的玻璃纖維板制成。Toray Composites America Inc.（華盛頓州塔科馬市）提供類似的IWWF織物，該織物被波音公司選為787的機身。

其他層集成LSP供應商包括預浸機APCM（康涅狄格州普萊恩菲爾德）和漢克爾公司（加利福尼亞州灣點），后者提供帶有嵌入式網格的SynSkin表面薄膜。

金屬纖維，織物及面紗

Hollingsworth and Vose Co.（東沃爾波爾，馬薩諸塞州）在2012年報告了其新LSP形式的測試，這是一種由隨機定向的鎳或銅涂層碳纖維制成的高導電性非織造面紗。該公司表示，面紗的重量小于網格，沒有腐蝕風險，這消除了對隔離層的需要。100 gsm（0.02 lb/ft2）面紗被納入測試面板，并在國家技術系統公司（前身為Lightning Technologies Inc.，Pittsfield，Mass.）測試實驗室與傳統膨脹金屬網（具有碳/芳綸層壓板和類似重量）制成的面板進行比較。結果表明，面紗保護層壓板的性能與金屬網保護面板相同，對底層層壓板沒有明顯損壞。

金屬涂層碳纖維產品的另一個來源是導電復合材料（猶他州海伯城）。該公司開發了一種專有的鎳氣相沉積（NVD- nickel vapor deposition）工藝，可覆蓋連續纖維。涂層纖維由技術合作伙伴預先填充或并入其他產品中。該公司還提供一種高導電性非織造布“片”或面紗產品，通過在碳非織造板上連續鍍鎳在內部制造。導電復合材料公司（Conductive Composites）總裁內森·漢森（Nathan Hansen）表示，兩家未命名的航空原始設備制造商，即空軍研究實驗室（AFRL，Wright-Patterson AFB，Ohio）和國家航空研究所（NIAR，Wichita，Kan.），目前正在評估這兩種產品?！拔覀兡軌蛏a一種耐腐蝕、非常輕的面紗，”他說，并指出它既適用于電磁干擾（EMI- electromagnetic interference）屏蔽，也適用于LSP。他說，它“比用其他導電纖維制成的產品更輕、更薄、更導電”，并補充說，“為了獲得更高的導電性，我們可以簡單地增加沉積的鎳的數量，以定制應用?！痹摪宀目梢赃B續卷制，以進行可管理的加工，漢森認為，該板材不僅減輕了重量，而且提供了更好的零件表面光潔度，減少了腐蝕，并且如果受到損壞，更容易修復。

導電復合材料還具有專有工藝，鎳納米線分散在環氧樹脂、有機硅、聚氨酯或其他樹脂中，以在樹脂內形成三維導電結構。

聚合物可以以是薄膜、墊圈、封裝化合物或填縫料的形式提供，用于密封和封裝飛機中的金屬緊固件或將不同的LSP系統連接在一起。

漢森補充說，這些產品也在由幾家原始設備制造商進行評估?！拔覀兡軌蜉p松地將納米線集成到標準材料中，并且可以使用傳統方法應用它們。”

盡管它們不太常見，但其他產品包括剝離和粘貼貼花、應用于零件外表面的金屬“保形屏蔽”網和火焰噴涂，這是一種將高溫液態金屬（通常為鋁）噴涂到零件外表面上的方法。供應商包括Integuent Technologies（紐約州托納萬達）、Lightning Diversion Systems（加利福尼亞州亨廷頓海灘）和Purtech Inc.（賓夕法尼亞州東斯特勞茲堡）。

導電表面處理

Lord Corp.（北卡羅來納州卡里市）開發了一種新的、帶有商標的導電聚合物材料，用于LSP應用，稱為UltraConductive。Lord的化學研究和電子材料經理塞思·卡魯瑟斯（Seth Carruthers）說，該專利材料可用作可噴涂的導電涂料或表面薄膜、噴涂的工具涂層或噴涂后的導電修復涂料，據報道，其重量是一些常見的膨脹金屬箔表面薄膜的一半，并且不依賴于納米材料?！拔覀兊脑牧想S時可用，我們有強大的采購戰略?！?/p>

其中一部分，環氧基聚合物包含一種潛熱引發的固化劑、專有添加劑和導電填料，卡魯瑟斯說，這些填料可以由“系列”填料中的任何一種組成，使Lord能夠定制產品。與傳統的填充銀的導電環氧樹脂相比，例如，UltraConductive在固化期間表現出獨特的“自組裝”行為，其導致三維填充物形態，使填充物能夠在整個厚度上接觸和傳導電流。他聲稱，在非常低的填充量下，高導電性是可能的，并解釋說，“化學性質允許聚合物“避開”填充物，允許填充物傳導，而不會被聚合物分子絕緣。”

在2A區和1A區的打擊剖面上，廣泛的測試將UltraConductive與膨脹金屬和其他技術進行了比較。結果表明，Lord噴涂和薄膜產品的電阻比傳統的導電環氧樹脂低78%，但在持續損傷方面，其性能類似于由膨脹銅箔保護的等效試驗板，重量為一半?！拔覀兊臏y試表明，涂有UltraConductive的碳復合材料實現了121分貝的EMI屏蔽，”他報告說，“相當于1毫米(0.04英寸)厚的實心鋁蒙皮。因此，UltraConductive使碳復合材料能夠像實心鋁一樣屏蔽。”可噴涂和薄膜產品正在與幾家飛機原始設備制造商進行資格測試。這些產品為設計師提供了LSP和EMI屏蔽的多種選擇，他們可以在整個飛機上

使用其他材料

NIAR的科斯托戈羅娃·貝拉(Kostogorova Bellar)和NIAR環境測試實驗室主任保羅·喬納斯(Paul Jonas)正在美國空軍贊助的一項研究中，研究復合材料結構的直接和間接閃電和EMI屏蔽保護方案。一種有前途的系統是由導電復合材料制成的導電涂料，該公司在其中分散其鎳納米鏈材料。據報道，與基線LSP保護（如鋁和銅膨脹箔和編織線材料，包括磷青銅）相比，該涂料用于處理1A區和2A區的雷擊，提供了貝拉所稱的“優越”性能。據報道，這種油漆在損壞的情況下可以重新噴漆，預計將是其他方法的良好替代品。

貝拉說：“現在，下一個步驟是，以改善外觀的涂料，不太厚的情況下，更好的化妝品?！?/p>

在過程中：預測工具

盡管有新的發展，喬納斯警告說，LSP針對直接或間接影響的保護是一個“棘手的問題”。他建議采取整體系統方法，結合材料。這是一個折衷方案—每個OEM都有一個略有不同的方法來解決這個問題。我們需要看看新的東西，如導電涂料，如何與更傳統的材料相結合，用于直接和間接的保護方案。

為此，喬納斯說，NIAR正在與多家OEM合作開發一種計算工具，該工具將預測閃電的間接影響?！斑@是一個測試密集的領域，很難預測閃電效應，”他警告說?！斑@種用于間接影響的工具將有助于預測電氣行為，并導致成本更低的閃電測試和設計迭代?！庇糜陬A測直接影響的第二個工具也在開發中。當它們在手邊時，這些工具可以大大增強設計過程，并幫助設計師在驗證測試過程之前了解和優化他們的LSP系統。

納米增強LSP？

盡管用于雷擊防護（LSP）的納米技術在幾年前是一個熱門話題，但許多當時有前途的技術已經消失了。一個例外是Niles Nanofabrix，這是金屬網提供商Niles International（俄亥俄州奈爾斯）最近推出的新材料。Nanofabrix通過將低成本碳納米顆粒集成到非織造薄膜或片材中而制成，可在復合材料層或預浸料中用作表面層，以提高導電性能。該材料還可促進磨損和腐蝕保護。公司首席運營官伊恩·湯普森（Ian Thompson）表示，盡管該產品具有很高的導電性，但LSP測試仍在進行中，導電性結果尚未提供評估。

在最近的JEC Europe 2013展會上，Niles工程師但丁·瓜爾達（Dante Guerra）展示了一個包含Nanofabrix的碳纖維層壓板樣品。它被連接到電源，以展示樣品在除冰應用中加熱的速度。電磁干擾（EMI）屏蔽和靜電放電防護似乎正在贏得新產品的應用。根據瓜爾達的說法，當生產正在進行時，Nanofabrix可能比其他可用的導電材料便宜得多。

9-1. 一架飛機雷達天線罩在國家技術系統公司（加利福尼亞州卡拉巴薩）的閃電測試實驗室進行閃電測試。2.4兆伏發電機產生沖擊，以測試部件上的雷擊保護（LSP）系統。天線罩特別容易受到1A區閃電的影響，1A區閃電可產生200000安培的電流。

9-2. Cirrus公司已為其全碳Vision SF50個人噴氣式飛機的LSP系統選用Dexmet公司（康涅狄格州沃林福德）的膨脹銅箔。為避免潛在的電偶腐蝕問題，該公司用于活塞式飛機機隊的鋁網未被考慮用于噴氣式飛機。

9-3. 這張特寫照片顯示了由赫氏（Hexcel）制造的碳纖維編織線織物（IWWF），帶有整體電線，用于低能量區（如飛機機身）的雷擊保護 。

9-4. Lord Corp.（Cary，N.C.）開發了一種用于LSP和EMI屏蔽的新型導電聚合物，稱為UltraConductive。該聚合物可用作表面薄膜，如圖所示，或可用作噴涂涂層（見下一張照片）。

9-5. Lord Corp.（Cary，N.C.）用于LSP和EMI屏蔽的新型超導電導電聚合物可作為噴涂涂層應用。

9-6. 在該示意圖中，Lord Corp.（Cary，N.C.）的聚合物材料與擴展的金屬箔LSP應用進行了比較。

9-7. 一個典型的8層銅網保護的碳層壓板和聚氨酯漆繪有10密耳后，將顯示一個區域2A雷擊。它示出的油漆和一些損壞金屬網的損壞。相同的層壓板，無網格（見下照片），含鎳導電漆涂上。它顯示的傷害較小。

9-8. 用毫歐表檢查修復的LSP系統的導電性是至關重要的。

9-9. 相同的層壓板，無網格（如圖所示），含鎳導電漆涂上。它顯示了損傷少的樣品在前面的照片。

雷擊后維修方面的考慮

雷擊的任何飛機是一個巨大的問題，“與國際飛安西棕櫚灘學習中心（西棕櫚灘，佛羅里達州），復合材料維修講師保羅·克努森說。他的重點是復合材料的技術人員和設計師的培養路徑識別閃電可以通過結構在各種固定翼飛機和直升機，然后確定如何進行維修，以確保防雷擊（LSP）恢復。

“檢查是關鍵 - 你必須看的入口和出口點和針孔，”他指出，補充，看起來可以欺騙：“有時候，外表面燒傷看起來像辣椒灑在油漆。”因為每架飛機模型采用不同的LSP系統，檢查和維修的特定模型。

凡已經發生，損害到LSP網或絲交織面料及相關層壓面積（S）必須被打磨和向下吞掉完好無損層。修復完成和治愈后，克努森說，重點是對LSP修復，這實際上是兩個獨立的維修?！翱伺騇agnolia先進材料公司提供的用環氧膠粘劑通常取代燒毀金屬網或膨脹箔（佐治亞州Chamblee），這樣的網格被封裝用樹脂，以防止表面孔隙度和濕氣進入。他強調，檢查用毫歐表的LSP系統的導電性是至關重要的。此外，金屬帶或接地母線應進行檢查，確保整個飛機的外表面電導率。電導率后已經恢復，修復的表面被粉刷一新。

原文《Lightning strike protection strategies for composite aircraft 》

楊超凡