【专家说】复合材料飞机雷击防护的设计、测试与维修

经过验证的材料持续占据优势，但旨在实现更快速处理的新方法和新形式正逐步进入市场。 雷电可能两次击中同一目标。对于飞机而言，甚至可能多次遭受雷击。由高导电性铝材制造的飞机，即便遭遇最极端的 20 万安培电流冲击，也能迅速将电流传导至机身并释放。然而，对于采用导电性较低的碳纤维复合材料或非导电性玻璃纤维制造的飞行器，雷击防护（LSP- lightning strike protection）至关重要。 根据加拿大皇家空军发布的统计数据，飞机平均每 1000 至 3000 飞行小时就会遭受一次雷击。对于民用飞机而言，这相当于每架飞机每年遭受一次雷击。尽管波音公司（位于伊利诺伊州芝加哥）报告称，最坏情况下的雷击概率可能低至每 10 至 15 年发生一次，但飞机设计必须能够承受此类雷击。波音公司最近在其《AERO》杂志中报道，从雷击开始到结束的这段时间内，飞机飞行的距离会超过其自身长度。因此，电荷会在初始点之后的其他位置重新附着，导致入口点发生变化。这可能会造成多个烧蚀区域或其他损害，直接威胁飞机的结构完整性，并产生间接影响，包括对无线电设备、航空电子设备或其他电气操作装置（如当电势差或磁效应引发瞬态电压尖峰时的燃油阀）的损坏。此外，当电流沿金属紧固件弧光放电并点燃燃油蒸气时，已发生致命事故。 在过去的三十年里，随着 LSP 解决方案在飞机上的应用扩大，它们已被广泛用于复合材料。每个飞机 OEM 的设计团队在飞机的不同区域处理该问题的方式不同，因此每个飞机模型都有一个独特的系统。尽管金属网和层集成的编织线是直接效果的通常选择材料，但 LSP 的创新者正在开发新的、重量较轻的和 / 或更有效的加工选项。在这里，HPC 更新了 LSP 市场上的读者（见我们之前在 “复合材料的闪电防护” 中的报道，在右上角的 “编辑的选择” 下），重新审视了现有的供应商，并引入了几个新的参与者。 创建导电性。 LSP 必须在整个飞机外部提供低电阻的连续导电路径，并在最有可能连接闪电的区域提供额外的保护。简单地说，1A 区（雷达天线罩或机头、翼尖、短舱和尾翼末端）是美国联邦航空管理局要求的（FAA）联邦航空条例（第 23、25 和 27 部分），以承受 200000 安培的初始闪电连接和首次返回冲程。很少看到直接撞击的区域（如机身）需要处理较小的电流，并且必须简单地在闪电连接点之间传导电流。有关其他区域要求，请参见航空航天推荐规程（ARP）5414A，2005，可从 SAE International（宾夕法尼亚州沃伦代尔）获得。 为了创建导电路径，复合材料飞机外壳中的金属 — 通常是嵌入表面薄膜中的精细、轻质的网格或箔，或嵌入外部层压板层中的电线 — 被放置在与金属粘合带或其他连接外导电表面到金属接地平面的结构（例如机身中的发动机或金属导管）接触的位置。为了防止闪电电荷附着到金属紧固件上，然后电弧或火花，紧固件可以用塑料封装或以其他方式密封，或者可以用通向接地平面的金属条覆盖。即使飞机的油漆或其他表面也必须考虑。如果装饰材料的厚度超过 9 密耳，则它们将导电网或箔放置在离表面太远的地方，这会增加电阻并有更大的损坏风险。 金属 LSP 产品主要由铝和铜组成。铝是 LSP 的首批选择之一，因为它的重量轻，但与碳纤维层压板接触时的电偶腐蚀风险是一个问题，玻璃纤维的隔离层增加了重量。此外，如果水分穿透复合材料蒙皮，可能会发生铝腐蚀。铜消除了电偶反应的风险，但重量至少是铝的两倍。为了抵消寄生重量，设计师多年来一直在研究新的多功能方法，如导电涂料和低电阻结构层压板。威奇托州立大学国家航空研究所（NIAR，威奇托，堪萨斯州）的尤莉娅・科斯托戈罗娃・贝拉（Yulia Kostogorova Bellar）博士目前正在研究减少复合材料飞机上的直接和间接闪电影响的方法，她说：“当复合材料首次采用时，最初没有认识到雷击问题，因此快速解决方案是将金属引入飞机，这往往会抵消复合材料带来的好处。没有人真正重新研究过一种可以减轻重量的新解决方案。” 标准：金属网 金属网和膨胀箔（铜和铝）仍然是直接 LSP 效应最常用的 LSP 解决方案，因为它们表现出处理大规模雷击电流水平所需的高电导率和高汽化热。Dexmet（沃林福德，康涅狄格州）是波音公司 LSP 材料的独家供应商，还为巴西航空工业公司（Embraer）、空中客车公司（Airbus）、庞巴迪公司（Bombardier）和许多其他较小的原始设备制造商提供产品开发副总裁肯・穆尔（Ken Mull）表示：“重量显然是商用飞机的一个问题 — 我们使我们的产品尽可能轻，以提供保护，因为它们不会贡献结构强度。” Dexmet 使用一种有 100 年历史的金属加工工艺制造商标为 MicroGrid 的膨胀金属箔（铝、铜、磷青铜、钛等），该工艺最初用于制造其他行业的钢格板、楼梯踏板和猫道（catwalks）。在该公司的一台专有机器的皮带上放置了一个非常薄的金属箔。位于箔片上方的齿形模具落下并撕裂箔片，同时，拉动和拉伸箔片以形成菱形网格。扩展网格的面积重量由起始箔厚度确定。菱形开口的尺寸可以通过改变模具来定制。“狭缝和拉伸的方法比编织更好，因为它消除了任何可能的解开或松散的股线，这在加工过程中可能是有问题的，并导致电气连接的损失，” 穆尔解释说。与编织网相比，膨胀金属更光滑，“凸起” 更小，并且显示更少的印刷通过，据报道，在制造过程中，膨胀金属更好地附着在其宿主薄膜或粘合剂上。Dexmet 拥有 100 台狭缝 - 拉伸机，可以生产大量宽度高达 48 英寸 / 123 米的膨胀箔和金属网，据报道是业内最宽的，公差非常小。 产品范围从超轻型 0.010 磅 / 平方英尺到更典型的 0.040 磅 / 平方英寸（适用于 1A 区），到重型产品（例如，1600 gsm/0.327 磅 / 立方英尺 2），用于铆钉线。 穆尔说，Dexmet 将直接向 Cirrus Design Corp.（明尼苏达州德卢斯）提供扩展铜箔，用于该公司的 Cirrus Vision SF50 个人喷气式飞机，这是一种全碳复合材料设计。当飞机生产开始时，西锐公司正在与其预浸料供应商合作，将网格集成为结构预浸料的外层。然而，通常情况下，指定的网格通常发送给中间材料供应商，在那里它被纳入外部表面薄膜（见下一节）。

负责 SF50 LSP 系统的工程师尼克・贾德森（Nick Judson）表示，对几种解决方案进行了评估，但选择 Dexmet s 是因为它是一种经过验证的材料，对飞机来说重量有效，最终，它具有成本效益。贾德森说，铝不是一种选择，因为它有可能与碳发生电偶反应。最终的箔片重量将很快确定。 其他扩展的箔片和网格提供商包括 Astroseal Products（Chester，Conn.），这是一家面向军事和商业客户的著名供应商。它的商标 Astrostrike 铝网已被 Cirrus Design 用于保护 Cirrus SR-20 和 SR-22 活塞式发动机复合材料飞行器。M.C.Gill Corp.（加利福尼亚州埃尔蒙特）子公司 Alcore Inc.（马里兰州 Edgewood）制造了一种连续膨胀铝箔（CEAF），商标为 Strikegrid，经过磷酸阳极氧化和涂层，以防止电偶问题和腐蚀。Alcore 声称其材料是可用的性能最高的 LSP 材料。

Niles International（Niles，Ohio）在 Bender GmbH（德国 Siegen）制造的机器上生产商标为 Aeromesh 膨胀箔和网。作为 1960 年的初创企业，Niles Expanded Metals 为工业和建筑市场制造了膨胀钢。Niles 于 2008 年成立了 NExT Aerospace，以扩大其 LSP 的产品组合。作为第一个获得 ISO AS9100 认证的 LSP 金属供应商，Niles 与 Bender 合作，在美国和欧洲制造扩展的金属产品，寻求 “有保证的供应”。（通过 Bender，Aeromesh 提供给法国图卢兹的空中客车维修厂。）Niles 强调质量控制，并在其机器上使用基于摄像头的检查系统来检测断裂和其他缺陷。 集成 LSP 材料 许多航空航天供应商提供与粘合剂薄膜、表面薄膜或预浸料预先复合的膨胀金属网。其中最广泛使用的是来自氰特（Cytec）的 SURFACE  MASTER，这是一种嵌入膨胀箔的环氧基表面薄膜。氰特（Cytec）负责航空粘合剂应用的研发总监达利普・科利（Dalip Kohli）报告说：“SURFACE  MASTER 几乎适用于当今的每一个飞机项目，包括波音 787、空客 A350 XWB 和 HondaJet（本田公务机）”。科利接着说，该产品自推出以来已经发展到许多定制版本，包括一个适合通过自动铺带（ATL- automated tape laying）工艺应用的版本。 氰特（Cytec）的 SURFACE  MASTER 通过从几个供应商购买客户指定的扩展箔和网格来定制胶片，并生产宽度高达 48 英寸 / 12 米的胶片，并配有离型纸衬垫。 与所有结构碳 / 环氧树脂预浸料兼容，并在相同的温度下固化。科利说，脱模后，固化的表面薄膜是可砂磨的，没有孔，可以上漆。“它对车间非常友好，易于使用，并且可以很容易地在模具中重新定位，” 他说。“为节省更多时间，底漆并非必要，因为我们的测试表明，涂料可直接附着于薄膜表面，且不会出现透印现象。” 科利报告说，该公司目前正在开发下一代版本的 SURFACE  MASTER，该版本将提供更轻的重量和更快的层压板覆盖。 赫氏（Hexcel）继续提供其商标为 Redux 环氧薄膜粘合剂和 HexPly 预浸树脂，这些预浸树脂包括青铜、铜或铝网或膨胀箔，用于 LSP 应用。该公司还为较低能量的 LSP 区域（如机身）制造交织金属丝网（IWWF- interwoven wire fabric）。小直径电线（磷青铜、铝、铜等）编织成碳布，以创建单层 LSP 系统。不同的编织风格和一系列的电线尺寸是可用的，该公司表示，IWWF 织物可以用 Hexcel 树脂预浸。如果需要隔离碳层压板以防止电偶腐蚀，则 IWWF 织物可以用额外的玻璃纤维板制成。Toray Composites America Inc.（华盛顿州塔科马市）提供类似的 IWWF 织物，该织物被波音公司选为 787 的机身。 其他层集成 LSP 供应商包括预浸机 APCM（康涅狄格州普莱恩菲尔德）和汉克尔公司（加利福尼亚州湾点），后者提供带有嵌入式网格的 SynSkin 表面薄膜。 金属纤维，织物及面纱 Hollingsworth and Vose Co.（东沃尔波尔，马萨诸塞州）在 2012 年报告了其新 LSP 形式的测试，这是一种由随机定向的镍或铜涂层碳纤维制成的高导电性非织造面纱。该公司表示，面纱的重量小于网格，没有腐蚀风险，这消除了对隔离层的需要。100 gsm（0.02 lb/ft2）面纱被纳入测试面板，并在国家技术系统公司（前身为 Lightning Technologies Inc.，Pittsfield，Mass.）测试实验室与传统膨胀金属网（具有碳 / 芳纶层压板和类似重量）制成的面板进行比较。结果表明，面纱保护层压板的性能与金属网保护面板相同，对底层层压板没有明显损坏。 金属涂层碳纤维产品的另一个来源是导电复合材料（犹他州海伯城）。该公司开发了一种专有的镍气相沉积（NVD- nickel vapor deposition）工艺，可覆盖连续纤维。涂层纤维由技术合作伙伴预先填充或并入其他产品中。该公司还提供一种高导电性非织造布 “片” 或面纱产品，通过在碳非织造板上连续镀镍在内部制造。导电复合材料公司（Conductive Composites）总裁内森・汉森（Nathan Hansen）表示，两家未命名的航空原始设备制造商，即空军研究实验室（AFRL，Wright-Patterson AFB，Ohio）和国家航空研究所（NIAR，Wichita，Kan.），目前正在评估这两种产品。“我们能够生产一种耐腐蚀、非常轻的面纱，” 他说，并指出它既适用于电磁干扰（EMI- electromagnetic interference）屏蔽，也适用于 LSP。他说，它 “比用其他导电纤维制成的产品更轻、更薄、更导电”，并补充说，“为了获得更高的导电性，我们可以简单地增加沉积的镍的数量，以定制应用。” 该板材可以连续卷制，以进行可管理的加工，汉森认为，该板材不仅减轻了重量，而且提供了更好的零件表面光洁度，减少了腐蚀，并且如果受到损坏，更容易修复。 导电复合材料还具有专有工艺，镍纳米线分散在环氧树脂、有机硅、聚氨酯或其他树脂中，以在树脂内形成三维导电结构。 聚合物可以以是薄膜、垫圈、封装化合物或填缝料的形式提供，用于密封和封装飞机中的金属紧固件或将不同的 LSP 系统连接在一起。 汉森补充说，这些产品也在由几家原始设备制造商进行评估。“我们能够轻松地将纳米线集成到标准材料中，并且可以使用传统方法应用它们。” 尽管它们不太常见，但其他产品包括剥离和粘贴贴花、应用于零件外表面的金属 “保形屏蔽” 网和火焰喷涂，这是一种将高温液态金属（通常为铝）喷涂到零件外表面上的方法。供应商包括 Integuent Technologies（纽约州托纳万达）、Lightning Diversion Systems（加利福尼亚州亨廷顿海滩）和 Purtech Inc.（宾夕法尼亚州东斯特劳兹堡）。 导电表面处理 Lord Corp.（北卡罗来纳州卡里市）开发了一种新的、带有商标的导电聚合物材料，用于 LSP 应用，称为 UltraConductive。Lord 的化学研究和电子材料经理塞思・卡鲁瑟斯（Seth Carruthers）说，该专利材料可用作可喷涂的导电涂料或表面薄膜、喷涂的工具涂层或喷涂后的导电修复涂料，据报道，其重量是一些常见的膨胀金属箔表面薄膜的一半，并且不依赖于纳米材料。“我们的原材料随时可用，我们有强大的采购战略。” 其中一部分，环氧基聚合物包含一种潜热引发的固化剂、专有添加剂和导电填料，卡鲁瑟斯说，这些填料可以由 “系列” 填料中的任何一种组成，使 Lord 能够定制产品。与传统的填充银的导电环氧树脂相比，例如，UltraConductive 在固化期间表现出独特的 “自组装” 行为，其导致三维填充物形态，使填充物能够在整个厚度上接触和传导电流。他声称，在非常低的填充量下，高导电性是可能的，并解释说，“化学性质允许聚合物 “避开” 填充物，允许填充物传导，而不会被聚合物分子绝缘。” 在 2A 区和 1A 区的打击剖面上，广泛的测试将 UltraConductive 与膨胀金属和其他技术进行了比较。结果表明，Lord 喷涂和薄膜产品的电阻比传统的导电环氧树脂低 78%，但在持续损伤方面，其性能类似于由膨胀铜箔保护的等效试验板，重量为一半。“我们的测试表明，涂有 UltraConductive 的碳复合材料实现了 121 分贝的 EMI 屏蔽，” 他报告说，“相当于 1 毫米 (0.04 英寸) 厚的实心铝蒙皮。因此，UltraConductive 使碳复合材料能够像实心铝一样屏蔽。” 可喷涂和薄膜产品正在与几家飞机原始设备制造商进行资格测试。这些产品为设计师提供了 LSP 和 EMI 屏蔽的多种选择，他们可以在整个飞机上使用其他材料 NIAR 的科斯托戈罗娃・贝拉 (Kostogorova Bellar) 和 NIAR 环境测试实验室主任保罗・乔纳斯 (Paul Jonas) 正在美国空军赞助的一项研究中，研究复合材料结构的直接和间接闪电和 EMI 屏蔽保护方案。一种有前途的系统是由导电复合材料制成的导电涂料，该公司在其中分散其镍纳米链材料。据报道，与基线 LSP 保护（如铝和铜膨胀箔和编织线材料，包括磷青铜）相比，该涂料用于处理 1A 区和 2A 区的雷击，提供了贝拉所称的 “优越” 性能。据报道，这种油漆在损坏的情况下可以重新喷漆，预计将是其他方法的良好替代品。 贝拉说：“现在，下一个步骤是，以改善外观的涂料，不太厚的情况下，更好的化妆品，”在过程中：预测工具 尽管有新的发展，乔纳斯警告说，LSP 针对直接或间接影响的保护是一个 “棘手的问题”。他建议采取整体系统方法，结合材料。这是一个折衷方案 — 每个 OEM 都有一个略有不同的方法来解决这个问题。我们需要看看新的东西，如导电涂料，如何与更传统的材料相结合，用于直接和间接的保护方案 为此，乔纳斯说，NIAR 正在与多家 OEM 合作开发一种计算工具，该工具将预测闪电的间接影响。“这是一个测试密集的领域，很难预测闪电效应，” 他警告说。“这种用于间接影响的工具将有助于预测电气行为，并导致成本更低的闪电测试和设计迭代。” 用于预测直接影响的第二个工具也在开发中。当它们在手边时，这些工具可以大大增强设计过程，并帮助设计师在验证测试过程之前了解和优化他们的 LSP 系统。 纳米增强 LSP？ 尽管用于雷击防护（LSP）的纳米技术在几年前是一个热门话题，但许多当时有前途的技术已经消失了。一个例外是 Niles Nanofabrix，这是金属网提供商 Niles International（俄亥俄州奈尔斯）最近推出的新材料。Nanofabrix 通过将低成本碳纳米颗粒集成到非织造薄膜或片材中而制成，可在复合材料层或预浸料中用作表面层，以提高导电性能。该材料还可促进磨损和腐蚀保护。公司首席运营官伊恩・汤普森（Ian Thompson）表示，尽管该产品具有很高的导电性，但 LSP 测试仍在进行中，导电性结果尚未提供评估。 在最近的 JEC Europe 2013 展会上，Niles 工程师但丁・瓜尔达（Dante Guerra）展示了一个包含 Nanofabrix 的碳纤维层压板样品。它被连接到电源，以展示样品在除冰应用中加热的速度。电磁干扰（EMI）屏蔽和静电放电防护似乎正在赢得新产品的应用。根据瓜尔达的说法，当生产正在进行时，Nanofabrix 可能比其他可用的导电材料便宜得多。

9-1.  一架飞机雷达天线罩在国家技术系统公司（加利福尼亚州卡拉巴萨）的闪电测试实验室进行闪电测试。2.4 兆伏发电机产生冲击，以测试部件上的雷击保护（LSP）系统。天线罩特别容易受到 1A 区闪电的影响，1A 区闪电可产生 200000 安培的电流。

9-2.  Cirrus 公司已为其全碳 Vision SF50 个人喷气式飞机的 LSP 系统选用 Dexmet 公司（康涅狄格州沃林福德）的膨胀铜箔。为避免潜在的电偶腐蚀问题，该公司用于活塞式飞机机队的铝网未被考虑用于喷气式飞机。

9-3.  这张特写照片显示了由赫氏（Hexcel）制造的碳纤维编织线织物（IWWF），带有整体电线，用于低能量区（如飞机机身）的雷击保护

9-4.   Lord Corp.（Cary，N.C.）开发了一种用于 LSP 和 EMI 屏蔽的新型导电聚合物，称为 UltraConductive。该聚合物可用作表面薄膜，如图所示，或可用作喷涂涂层（见下一张照片）。

9-5.   Lord Corp.（Cary，N.C.）用于 LSP 和 EMI 屏蔽的新型超导电导电聚合物可作为喷涂涂层应用。

9-6.   在该示意图中，Lord Corp.（Cary，N.C.）的聚合物材料与扩展的金属箔 LSP 应用进行了比较。

9-7.   一个典型的 8 层铜网保护的碳层压板和聚氨酯漆绘有 10 密耳后，将显示一个区域 2A 雷击。它示出的油漆和一些损坏金属网的损坏。相同的层压板，无网格（见下照片），含镍导电漆涂上。它显示的伤害较小

9-8.    用毫欧表检查修复的 LSP 系统的导电性是至关重要的

9-9.   相同的层压板，无网格（如图所示），含镍导电漆涂上。它显示了损伤少的样品在前面的照片 雷击后维修方面的考虑 雷击的任何飞机是一个巨大的问题，“与国际飞安西棕榈滩学习中心（西棕榈滩，佛罗里达州），复合材料维修讲师保罗・克努森说。他的重点是复合材料的技术人员和设计师的培养路径识别闪电可以通过结构在各种固定翼飞机和直升机，然后确定如何进行维修，以确保防雷击（LSP）恢复。“检查是关键 - 你必须看的入口和出口点和针孔，” 他指出，补充，看起来可以欺骗：“有时候，外表面烧伤看起来像辣椒洒在油漆。” 因为每架飞机模型采用不同的 LSP 系统，检查和维修的特定模型。 凡已经发生，损害到 LSP 网或丝交织面料及相关层压面积（S）必须被打磨和向下吞掉完好无损层。修复完成和治愈后，克努森（Knudsen）说，重点是对 LSP 修复，这实际上是两个独立的维修。“克努森向 Magnolia 先进材料公司提供的用环氧胶粘剂通常取代烧毁金属网或膨胀箔（佐治亚州 Chamblee），这样的网格被封装用树脂，以防止表面孔隙度和湿气进入。他强调，检查用毫欧表的 LSP 系统的导电性是至关重要的。此外，金属带或接地母线应进行检查，确保整个飞机的外表面电导率。电导率后已经恢复，修复的表面被粉刷一新。