復合材料電搭接設計技術應用研究

摘 要：本文詳細闡述了復合材料電搭接設計的兩種方式，通過比較傳統電搭接方式和改進的電搭接方式，得出能夠滿足良好電搭接要求的設計方案。

關鍵詞：復合材料;電搭接設計

一、前言

復合材料是一種由高強度、高剛度增強材料鋪設在基體中所構成的新型材料，具有高比強度、高比模量、良好的抗疲勞性能和抗腐蝕性等一系列優點。目前，先進的復合材料的發展和應用已經引起了飛機設計上的重大技術變革。在波音新式的B787“夢幻”飛機上，復合材料的用量已經超過機體重量的50%。隨著復合材料在飛機上用量的日益增加，其重要性也越來越突出。由于先進復合材料的可設計性及其在提高飛機性能上的巨大潛力，復合材料在飛機上應用的部位和用量的多少幾乎已經成為衡量當代飛機先進性的一個重要標志。

然而復合材料與傳統的金屬材料相比，在電性能方面存在很大的區別。例如，復合材料的導電率范圍廣泛：芳綸纖維/環氧樹脂復合材料的導電率幾乎為零，而碳纖維/環氧樹脂復合材料的導電率接近金屬材料。復合材料電性能的局限性直接影響著其在飛機上的擴大應用。所以在研究先進復合材料應用的同時，更應注重對復合材料電性能的研究，在提高復合材料結構件的電性能方面建立合適的設計方案。本文列舉了幾種復合材料電搭接設計技術在某直升機上的應用，與金屬材料的電搭接進行比較，分析了其可行性。

二、復合材料電搭接簡介

飛機的電搭接是指飛機的所有金屬件、組合件、部件相互之間以及機載設備、各個系統、附件和基本結構之間形成專門、完整的電連接，以確保它們之間成為低電阻的、可靠的電同一體。電搭接的重要作用是防止飛機系統內部、飛機系統之間產生電磁干擾。而對于雷達罩這樣最容易受雷電影響的復合材料結構件來說，良好的電搭接是避免雷電擊穿的先決條件。同時，復合材料因為導電性能差，在結構件的表面會沉積大量靜電。靜電形成的電磁場與機載設備耦合，會對飛機的效能產生影響，甚至損壞機載設備。所以對于如整流罩這樣的大型復合材料結構件，良好的電搭接設計尤為重要。

復合材料因為導電性能差并且各向異性，搭接區域的電阻往往會很大。這不僅影響到電磁屏蔽效能，并且會減小各種工作電流。所以設法降低復合材料結構件和金屬件之間的搭接電阻意義重大。

三、復合材料電搭接設計應用

常見的減小搭接電阻的方法有：

1）在結構件表面噴涂導電金屬防護層;

2）對于自身電阻率低的金屬件，清理打磨接觸面，達到良好的電接觸。并在搭接區域外面涂抹防水密封劑，防止接頭金屬部分被氧化和腐蝕;

3）用機械連接代替膠結連接，如螺栓連接;

4）對于機械連接，適當增加金屬緊固件量，增加導電截面面積;

5）電接觸面積越大，電阻越小。

綜合以上方法對復合材料的電搭接方式進行設計，較簡便直接的電搭接方式為在復合材料結構表面噴涂導電介質，實現表面導通。

（一）復合材料表面噴涂導電介質

復合材料結構導電性能差，為滿足簡單的電搭接要求，在結構表面噴涂一層導電介質，如銀漆，以實現與其他結構之間的電搭接。

（1）復合材料與金屬材料之間電搭接

a） 復合材料結構與金屬結構可直接接觸時，在復合材料結構表面噴涂導電層，并在金屬結構上與復材件接觸區域去掉表面防護漆，如圖1所示，實現接觸導電。

b） 當復合材料結構與金屬結構無法通過直接接觸導電時，可通過螺栓進行導通。如圖2所示，螺栓帽與復合材料表面導電層接觸，螺母與金屬結構直接接觸（金屬結構與螺母接觸區域去漆處理），通過螺栓與螺母的連接實現電搭接。

（二）復合材料與復合材料之間電搭接

a） 復合材料結構之間直接接觸時，在復合材料結構表面噴涂導電層，如圖3所示，實現接觸導電。

b） 當復合材料結構之間無法通過直接接觸導電時，可通過螺栓連接進行導通，如圖4所示。螺栓帽與螺母分別與復合材料表面導電層接觸，通過螺栓與螺母的連接實現電搭接。

復合材料結構表面噴涂導電介質，該方案容易實施，操作簡便，只需在復合材料結構成型后噴涂導電漆即可。但是導電涂層材料成本較高，如銀漆，且容易氧化;噴涂操作差異較大，容易受噴涂質量的影響，導電性能不穩定;使用周期短，導電層容易脫落，造成電搭接失效。所以此種復合材料電搭接設計在使用范圍上有很大的局限性，在重要電搭接部位不宜使用，以免因電搭接失效造成事故。

通過整合分析改進，利用復合材料結構鋪層多的特點，將導電層從復合材料外表面移入復合材料內部，提出新的電搭接設計方案——在復合材料鋪層間鋪設導電層。

（二）復合材料鋪層間鋪設導電層

復合材料結構一般由4層以上纖維鋪層固化而成，為實現良好的導電性能，可在鋪層第二層鋪設一層導電層，如鋁網、銅網等，然后在需要進行電搭接的區域局部去掉第一層鋪層的纖維材料，露出導電層，并可在局部適當增加金屬片，以增加電接觸面積，達到良好的導電效果。

（1）復合材料與金屬材料之間電搭接

a）復合材料結構與金屬結構可直接接觸時，在復合材料結構鋪層第二層加鋪導電層，并在外側用導電膠粘接U型金屬片，首層纖維鋪層局部打磨，使金屬片與導電層接觸。在金屬結構上與復材件接觸區域去掉表面防護漆，實現接觸導電，如圖5所示。

b）復合材料結構與金屬結構無法通過直接接觸導電時，在復合材料結構鋪層第二層加鋪導電層，并在安裝螺栓區域用導電膠粘接金屬片，首層纖維鋪層局部打磨，使金屬片與導電層接觸。在金屬結構上與螺母接觸區域去掉表面防護漆，通過螺栓和螺母的連接實現接觸導電，如圖6所示。

（2）復合材料與復合材料之間電搭接

a）復合材料結構之間可直接接觸時，在上部復合材料使用粘接U型金屬片結構，下部復材使用局部粘接條形金屬片結構，使兩種復材結構通過金屬片的接觸實現電搭接，如圖7所示。

b）復合材料結構之間無法通過直接接觸導電時，可在上部復合材料結構安裝螺栓一側粘接金屬片，下部復合材料結構安裝螺母一側粘接金屬片，兩種復材結構成對稱形式安裝，如圖8所示，通過螺栓與螺母的連接實現接觸導電。

四、總結

通過對傳統復合材料結構電搭接設計的改進，將導電層（如銅網等）鋪設在復合材料鋪層內部，避免了導電層的氧化、脫落等不穩定因素的影響，并在局部搭接區域粘接金屬片，增大導電面積，保證良好的導電效果。該方案實施過程較為復雜，需要將銅網等導電層按照適當的鋪層順序與纖維鋪層一起鋪設與固化，同時固化過程中需保證粘接金屬片位置正確無偏移。但是此種設計方案導電性能穩定，且與噴涂銀漆相比成本較低，使用周期較長，可廣泛用于防雷擊、防靜電的復材結構。

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作者簡介：

王佼（1986-）女，漢族，河北省張家口市，研究方向：復合材料，機械工程。