复合材料雷电防护的有效方法

1、雷电防护金属网的应用背景

1.1、雷电防护金属网在飞机上的应用

在地球大气中，平均每天发生800万次雷电，而其中幅值高达200kA以上的雷电流约占雷电总数的0.5%。有统计表明，一架固定航线的商业飞机，平均每年要遭受一次雷击，战斗机在其生命周期内平均要遭受两次雷击。民航局统计表明，我国航线上的飞机年雷击事故约50起，尤其造成许多灾难性事故，特别是先进飞机，为了提高飞机的飞行性能，大量采用先进复合材料，但这些材料对雷电更敏感，损失也更大。

随着复合材料结构部件在航空工业越来越多的应用，包括雷达罩、进气道、机翼（含整体油箱等）、副翼、垂尾、平尾、减速板发动机短舱、翼尖以及直升机的回转叶轮、风力涡轮机及机身蒙皮等都采用了复合材料。由于复合材料导电性差，飞机中的复合材料部件容易被雷击而损坏，为了增强飞机复合材料的雷电防护效果，我们在飞机上使用延展金属网，闪电将在复合材料表面分散，进而有效保护复合材料在雷击中受到损坏。

1.2、雷电防护金属网在风机叶片上的应用

雷电防护金属网除了在飞机复合材料雷电防护中有着重要应用外，在碳纤维风机叶片以及除冰叶片雷电防护中也有着重要的应用。随着风力发电机组的单机容量不断增大，轮毂高度和叶轮直径的不断增高，以及高原、沿海、海上等新型风力发电机组的开发，大型风力发电机组越来越容易遭受雷击。而风机的叶片又始终处于风机的最高位置，是风力发电机组上最容易受雷击的部件，对风机叶片造成不可逆的机械损伤，在整个风力发电机组的雷击损坏维修成本中，它的维修费用最高。所以在叶片设计初期就做好防雷措施，将大大降低后期的维护成本。雷电防护金属网是一种既可以充当接闪器起到接闪的作用，又能充当引下线到很好的传导雷电的作用的防雷方法。

但是国内外对雷电防护金属网的研究比较少，因此急需开展金属网雷电防护的研究，进行复合材料雷电的防护，以填补国内空白。本公司利用自主设计研发的延性拉伸雷电防护金属网，并进行了飞机以及风机叶片雷电防护金属网的防雷研究，对飞机复合材料以及风机叶片雷电防护具有重要的意义。

2、雷电防护金属网介绍 

2.1、金属网的介绍

目前国内外常见的雷电防护金属网包括金属编织网、延性金属冲孔网以及延性金属斜拉网三种。金属编织网是由金属丝在经纬两个方向编织而成。编织丝网的缺点是在复合曲率的表面难以覆盖，影响气动性能；而且编织丝网金属丝之间搭接电阻比较大，雷电防护效果远不如延性金属网；编制金属丝网由于雷电流产生的强大电磁力也容易断裂和瓦解。

图1  延性金属斜拉网图片

延性金属冲孔网是金属板经钢板冲剪机冲剪加工处理后，形成固定网眼状况的张料物体。而延性金属斜拉网是由拉伸网冲剪机经过冲剪和拉伸，使金属板扩张成定好的尺寸。因此延性金属斜拉网和冲孔网相比，生产中不会产生废料，成本低；而且网眼连接十分牢固，不会有断梗和断丝的现象；更重要的是延性金属斜拉网梗丝均匀，不会出现电流传导截面突变，影响导电性能。

延性金属拉伸金属网在应用过程中具有以下优点：

1) 具有与复合材料层板一起固化的能力；

2) 对所有雷击区都能提供有效的防护；

3) 具有优异的导电性，特别是在共同固化时的重叠区域；

4) 易于应用（包括粘贴固化）和换网修复；

5) 柔韧性好、重量轻、易于在复杂曲面上覆盖。

2.2、雷电防护金属网常用术语

宽度（W）：垂直于金属网加工方向从一端边界到另一端边界的距离。

长度（L）：平行于金属网加工方向从起点到终点的距离。

厚度（T）：金属网上下表面间的距离。

节点（Bond）：两根丝梗的连接处。

图2  延性金属网尺寸形状示意图

长节距(LWD)：从节点中心到节点中心的长的菱形对角线的长度。

短节距（SWD）：从节点中心到节点中心的短的菱形对角线的长度。

长节距（内孔）(LWO)：长的菱形孔对角线的长度。

短节距（内孔）(SWO)：短的菱形孔对角线的长度。

梗宽（SW）：金属网菱形孔的梗宽就是制作一根丝梗所用金属板的宽度。

3、雷电防护金属网防雷机理

3.1、金属网导流基本机理

金属网格的雷电防护，其实质就是利用金属自身良好的导电性，将雷电流快速从非金属传导至金属上，从而防止对非金属造成破坏。金属网防雷电的简易模型可用图3所示。

假设有一金属网格，结构如图3所示，金属网的格网为正方形，边长为t，构成格网的金属丝横截面为长方形，尺寸为d×h，金属网的宽度为w，此种金属单位横截面积能承受雷电流为I，当遭遇雷击时，每根金属丝承受电流的概率完全相同，金属网能承受最大雷电流为Imax。

则Imax=I×(d×h)×n=I•d•h•w/ (d+t)≈I•d•h•w/t（1）

其中：n为金属丝根数，并且d总是远小于t

所以影响金属网导流能力的因素有材料本身（影响I值），金属网梗宽d，金属网厚度h，金属网的宽度w，以及金属网的网孔密度（影响t值）。

图3 金属网格简易模型

3.2、弧根分散机理

当雷电流进入到被防护部件表面的金属网，就会随着金属网分成许多的电流细丝，则会在金属网上产生多个附着点，则每根单独的电流细丝耗散的能量减小到原来的1/n2，其中n是电流细丝的数量。

（2）

因此，总的耗散能量和发生的损伤与所有的电流输入到表面的单个点时的耗散能量相比就会减少很多。

4、雷电防护金属网仿真

金属网的选型以及金属网在雷电流作用下的电势分布、电流分布以及所造成的热损伤通过试验的方法却很难得到。通过仿真的方法，则可以很好地解决上述问题。

雷电闪击材料构件时，构件很难在短时间内将积聚的电流导走，从而导致温度上升，温度过高会使材料被严重烧蚀。因此仿真分析主要以雷击的热效应为研究重点，对设计的延性雷电防护金属网进行建模仿真，从理论上对其雷击防护能力进行评估。

图4  金属网的电势分布图

图5  金属网的温度分布图

5、雷电防护金属网试验

在进行金属网的雷电试验中，在碳纤维板上铺上本单位自行设计研发的50×50cm的雷电防护金属网进行200kA的A、B、C、D雷电流冲击试验，试验结果证明了雷电防护金属网对复合材料具有很好的雷电防护效果。

图6  雷电防护金属网200kA雷电流A、B、C、D冲击波作用后照片