碳纖維復合材料電導率改性與抗雷擊性能

肖 堯, 李 斌, 劉曉山, 張獻逢, 董 俊, 魏小龍

（1.空軍工程大學 航空機務士官學校，河南 信陽 464000；2.空軍工程大學航空工程學院，西安 710038）

20世紀80年代至今，復合材料在主流飛機中的應用比例逐步上升[1-2]，軍用飛機最高已達到飛機結構總重的40%，而民用飛機的用量更高，波音-787客機的復合材料用量超過50%[3-4]，使用范圍也從飛機的次承力結構件發展到了現在部分主承力結構件。在眾多先進復合材料當中，碳纖維復合材料（carbon fibre reinforced plastics，CFRP）憑借其優異的綜合力學性能和耐腐蝕性能脫穎而出[5]。與此同時，CFRP樹脂基體的高電阻率也使其在強電流作用下會產生劇烈阻性熱，造成嚴重的燒蝕損傷，甚至產生局部高壓造成爆炸[6]。若飛機在飛行時遭遇雷擊，其CFRP構件可能受到嚴重損傷，影響飛行安全。

目前，傳統的防雷擊措施主要有金屬防護網箔、金屬保護涂層、雷電導流條、防雷擊膠膜和絕緣層防護等[7-8]，但以上的表面防護措施在防護效果、經濟性、可操作性、結構質量和使用維護等方面存在各自的不足[9-10]。對復合材料進行基體改性是國內外學者在新形式雷擊防護設計方面一個重要研究方向。通過基體改性實現復合材料導電性的提高，從而降低雷擊損傷，起到雷擊防護作用，學者們已做了一系列的相關研究[11-12]。Hirano等[13]開發聚苯胺基導電熱固性樹脂，提高了樹脂的電導率和均勻性，其電導率值在面內和面外方向上分別是傳統碳纖維環氧樹脂復合材料的5.92和27.4倍，40 kA雷電流下的雷擊損傷減少76%；Chakravarthi等[14]對填充了鍍鎳單壁碳納米管的碳纖維雙馬來酰亞胺復合材料防雷擊效果進行了評估，添加4%（質量分數）可以降低整體電阻率，從而降低雷擊損傷；王奔[15]選擇在環氧樹脂中添加石墨烯，利用石墨烯的良好電導率完成對絕緣樹脂的改性。

在電器電子行業，利用金屬顆粒改性樹脂電導率已做了一系列研究。孫健等[16]采用不同粒徑的銀粉、不同固化收縮率的基體配制導電膠，探究固化過程及銀粉形貌對導電膠電阻率的影響，結果表明：銀粉形貌對電阻率影響較小；基體固化收縮率越大，電阻率越小，對導電性影響起決定性作用。萬超等[17]研究了銀粉含量、形貌以及表面處理對導電膠的體積電阻率和剪切強度的影響，結果表明：當銀粉含量為60%時，該導電膠發生滲流現象；并且銀粉顆粒尺寸越小，固化后的導電性能越好，但粘接性能越差；表面處理可提高導電性能，其中酸改性提升效果最明顯，但其剪切強度有所下降。

本工作在CFRP樹脂基體中加入以銀粉為主的導電填料對樹脂基體改性，制備各方向電導率均提高的改性CFRP層合板，通過模擬雷電流D波沖擊實驗，與未改性以及傳統銅網防護下層壓板雷擊損傷進行對比，對其抗雷擊性能進行驗證。

1 導電樹脂漿料制備

選擇航空用CFRP常用基體環氧樹脂作為改性對象；選擇銀粉和碳納米管作為改性填料：銀粉作為主要填料，能夠在樹脂中形成導電網格，提供導電通道，有效降低樹脂電導率；碳納米管輔助增強環氧樹脂導電性，也能夠延長其裂紋擴展路徑，降低裂紋尖端應力，從而增加環氧樹脂韌性。為使導電填料與樹脂基體漿料充分摻混，保證漿料較好的流動性，同時不產生其他效應，可按照文獻[18]的方法進行改性制備。最終的改性漿料配方及其固化后的電導率分別如表1和表2所示。

可以發現，最終配方制備的導電漿料固化后電導率能夠達到105S/m量級，實現了對環氧樹脂基體的電導率改性。用S-4800掃描電鏡對固化試樣液氮淬斷后的斷面進行掃描，掃描結果如圖1所示。由圖1可以看出：銀粉在環氧樹脂中混合均勻，幾乎與環氧樹脂融為一體，很難分辨出導電銀粉與環氧樹脂的界面，沒有出現集中團聚的情況，有利于導電網路的形成。因此，該配方中的銀粉比例大小適中，兼顧了漿料的流動性要求，能夠保證下一步高電導率CFRP層合板的改性制備。

2 CFRP樹脂基體最佳銀粉含量

2.1 不同銀粉含量CFRP電導率

以導電樹脂基體漿料為基礎，采用真空輔助樹脂傳遞模塑（VARTM）技術制備CFRP層合板[15]。為確定導電漿料中銀粉質量占整個CFRP樹脂體系的比例，進行不同銀粉含量的配方調試。利用基體漿料，制備銀粉含量25%、30%和40%的CFRP層合板試件，同時未改性的0%銀粉含量試件作為對照，4種試件外觀如圖2所示。

表 1 導電漿料的最終改性配方Table 1 Final modified formulation of conductive paste

表 2 導電漿料固化后的電導率Table 2 Conductivity of cured conductive paste

層合板中的碳纖維為編織結構，將復合材料沿纖維方向電導率設為σ1，垂直于纖維方向電導率設為σ2，沿厚度方向電導率設為σ3，測量不同銀粉含量的編織層合板電導率，結果見表3。

圖 1 導電漿料最終配方（表1）固化樣品液氮淬斷后斷面SEM照片 （a）高倍；（b）低倍Fig. 1 SEM images of cross section of cured sample （the final formula of conductive paste in Table 1），after liquid nitrogen quenching （a） high magnification；（b） low magnification

圖 2 不同銀粉含量下的試件外觀Fig. 2 Appearances of the specimens with different contents of Ag-powder（a）0%；（b）25%；（c）30%；（d）40%

表 3 不同銀粉含量的CFRP試件電導率Table 3 Conductivities of the specimens with different contents of Ag-powder

由表3可知：編織結構CFRP層合板的σ1和σ2相近，且隨著銀粉含量的提高，三個方向電導率增大，σ3增加最明顯。由文獻[17]可知，樹脂中添加的銀粉質量分數為60%達到導電滲流閥值，體積電阻率為1.6 × 10-5Ω?m，繼續添加銀粉，體積電阻率下降減緩，當質量分數達到80%和85%時，兩者電導率已基本不發生變化。本工作制備導電環氧樹脂是為了制備層壓板試件，實際制備過程中，銀粉質量分數大于40%之后，整個樹脂的流動性很差，無法制作復合材料層壓板，因此要綜合考慮樹脂含銀量與流動性，保證層壓板層內以及層與層之間的黏結性和對碳纖維的包裹性。

2.2 不同銀粉含量CFRP雷擊仿真

根據文獻[19-20]中的熱-電耦合燒蝕模型和基于樹脂基熱解度的復合材料電導率模型建立有限元模型，選擇ABAQUS熱-電耦合模塊，集中電流加載。模型總共包含24層，每層厚度0.15 mm，單元類型為DC3D8E，單元總數為57600。頂部和側面采用第三類熱傳導邊界條件，設定層壓板與周圍環境間的熱傳導系數以及環境溫度，采用第二類熱傳導邊界條件使底邊絕熱，設定邊界熱流密度為0 w/m2，熱輻射率為0.9，空氣溫度為25 ℃，底面和側面的電勢為0 V[21]。代入不同銀粉含量CFRP試件的實測電導率，分析層壓板樹脂中不同含量銀粉對雷擊燒蝕損傷的影響，以確定改性樹脂基體的最佳銀粉含量，仿真模型如圖3所示。

圖 3 仿真模型示意圖Fig. 3 Simulation model of the composite exposed to simulated lighting current

圖 4 不同銀粉含量下的試件雷擊損傷溫度場Fig. 4 Lightning damage temperature fields of the specimens with different contents of Ag-powder （a）0%；（b）25%；（c）30%；（d）40%

圖 5 不同銀粉含量試件損傷面積Fig. 5 Damage areas of the specimens with different contents of Ag-powder

表 4 改性CFRP層壓板不同方向電導率測量結果Table 4 Electrical conductivities of modified CFRP in different directions

在T1/T2= 4.78/19.6、峰值電流為80 kA的模擬雷電流波形下，不同銀粉含量的CFRP層合板的雷擊損傷溫度場分布如圖4所示，具體對應的雷擊損傷面積如圖5所示。在銀粉含量分別為0%、25%、30%和40%的條件下，對應表觀損傷面積分別為1589.03 mm2、461.04 mm2、345.94 mm2和288.25 mm2；隨著銀粉含量的增加，表觀燒蝕損傷面積逐漸降低，分別下降70.99%、78.23%和81.86%。導電漿料中銀粉占樹脂體系的比例增加，使得原本絕緣的環氧樹脂得到改性，電導率提升，從而降低燒蝕損傷。當銀粉質量分數大于30%之后，雷擊損傷的防護效果的增幅下降，為保證CFRP層壓板層內及層間的黏結性和對碳纖維的包裹性，避免過多銀粉影響層壓板力學性能，最終確定的銀粉占基體體系質量分數為38%。

2.3 改性CFRP電導率測定

改進CFRP層壓板實測電導率如表4所示。對比表3中未改性層壓板電導率，可以看出對CFRP層壓板沿厚度方向電導率的改性效果最佳，提高了217.3倍，對沿纖維方向電導率的改性效果不明顯，這是因為碳纖維原本電導率就很高。

3 模擬雷電流直接效應實驗

3.1 試件與實驗設備

試件參照標準ASTM D7137設計，為單向結構層壓板，共計三種類型。第一種：基體未改性空白層壓板，單層厚度0.15 mm，共24層，尺寸為150 mm ×100 mm × 3.6 mm（未改性）；第二種：表面鋪設銅網層壓板，銅網網眼數為1100目，銅絲直徑為0.25 mm，銅網里層單層厚度0.15 mm，共24層，尺寸為150 mm ×100 mm × 3.85 mm（銅網防護）；第三種：基體改性層壓板，單層厚度0.2 mm，共24層，尺寸為150 mm ×100 mm × 4.8 mm（基體改性）。三種類型層壓板層數相同，厚度不同。所用碳纖維均為T700級，樹脂基體均為E-51環氧樹脂，層壓板的鋪層順序均為[45/-45/0/90/90/-45/0/45/0/90/-45/45]s，試件如圖6所示。

實驗設備為ICTS-A/D-200/100復合材料雷電直接效應沖擊發生器，沖擊電流發生器實物如圖7所示。

圖 6 三種類型層壓板試件 （a）未改性；（b）銅網防護；（c）基體改性Fig. 6 Three types of laminate test piece （a） unmodified；（b） copper wire mesh protection；（c） matrix modification

圖 7 沖擊電流發生器Fig. 7 Impulse current generator

3.2 實驗方案

選擇雷電流D波，對三種類型共計9件層壓板試件進行雷電流直接效應實驗，具體方案如表5所示。

3.3 實驗結果分析

圖8分別給出了20 kA、40 kA、60 kA模擬雷電流沖擊下三種類型復合材料層壓板的雷擊損傷形貌。由圖8（a-1）、（b-1）和（c-1）可知，20 kA下，未改性試件雷擊損傷主要沿纖維方向分布，層壓板中心附著點及其四周有明顯的樹脂燒蝕痕跡，表層纖維均已破裂；銅網防護和基體改性試件表面均未擊穿，僅留有燒蝕的痕跡，燒蝕痕跡都擴展到上下邊緣。由圖8（a-2）、（b-2）和（c-2）可知，40 kA下，未改性試件表層纖維翹曲，里層纖維裸露，樹脂燒蝕范圍擴大，整個損傷形貌的分布趨勢不變；銅網防護試件的銅網燒蝕面積擴大，中間附著點處銅網已被擊穿，四周銅網部分熔化；基體改性試件樹脂燒蝕程度增大，但表層未被擊穿，僅中心區域產生輕微裂紋。由圖8（a-3）、（b-3）和（c-3）可知，60 kA下，未改性試件損傷嚴重，不僅包含纖維斷裂，樹脂燒蝕，還出現了分層損傷，中間區域留有深深的凹坑，損傷到達內部多層；銅網防護試件中心附著處銅網被完全破壞，剝離表面，內層的纖維和樹脂也產生了嚴重損傷；基體改性試件中心區域表面被擊穿，開始產生纖維斷裂翹曲，表層輕微凸起。

表 5 雷電流直接效應實驗方案Table 5 Lightning current direct effect test program

圖 8 三種試件不同雷擊電流下表觀損傷 （a）未改性；（b）銅網防護；（c）基體改性；（1）20 kA；（2）40 kA；（3）60 kAFig. 8 Lightning damage diagram of three types of test piece （a） unmodified；（b） copper wire mesh protection；（c） matrix modification；（1） 20 kA；（2） 40 kA；（3） 60 kA

圖9給出了不同峰值電流下三種類型試件雷擊損傷超聲掃描圖像，透視掃描損傷由每層各自方向上的損傷疊加而成。利用像素統計法和色彩比較法測量，20 kA、40 kA和60 kA下，未改性試件的雷擊透視損傷面積分別為374.14 mm2、1926.12 mm2和2850.08 mm2，銅網防護試件的雷擊透視損傷面積分別為0 mm2、257.95 mm2和1782.44 mm2，基體改性試件的雷擊損傷面積分別為59.79 mm2、365.38 mm2和1684.13 mm2。圖10為三種類型層壓板試件在不同峰值電流下的雷擊透視損傷面積。銅網防護方式能使碳纖維復合材料雷擊透視損傷面積分別下降100%、86.61%和37.46%。基體改性整體防護方式能使碳纖維復合材料雷擊透視損傷面積分別下降84.02%、81.03%和40.91%。

由于基體改性復合材料表面的電導率比純金屬銅網表面電導率低，所以低電流下（20 kA）基體改性防護效果不如銅網，銅網可以完全抵御雷電類的沖擊；但高電流下（60 kA）基體改性的防護效果超過了銅網防護，因為此時銅網被擊穿，燒蝕、融化產生大面積損傷，作為外表面防護層的一次性防護作用已失效，雷電損傷進入材料內部進行擴展，而基體改性為整體防護形式，表層遭受破壞后，里層的防護依舊有效，每一層的雷擊防護能力都和表層的一致。在20 kA和40 kA電流下，高溫熱解是主要損傷源，損傷模式主要為樹脂燒蝕擴展；在60 kA電流下，爆炸沖擊破壞占較大比重[22]，損傷除了樹脂燒蝕，還出現了纖維翹曲斷裂，層與層之間分層，中心區域留下凹坑。爆炸是由于內部層與層之間熱解氣體快速積聚，銀粉改性基體使得每一層導電性都很好，內部阻性加熱降低，所以在減少熱解損傷的同時，也顯著抑制了爆炸的發生。因此，在較大的峰值電流沖擊下，采用整體防護的基體改性方法，能夠提高復合材料的抗雷擊特性，并且基體改性的雷擊防護效果與雷電流能量有關，超過一定能量范圍，防護效果下降。

圖 9 不同峰值電流下三種類型試件雷擊損傷超聲掃描圖 （a）未改性；（b）銅網防護；（c）基體改性；（1）20 kA；（2）40 kA；（3）60 kAFig. 9 Ultrasonic scanning images of lightning damage in three types of test piece with different peak currents（a） unmodified；（b） copper wire mesh protection；（c） matrix modification；（1） 20 kA；（2） 40 kA；（3） 60 kA

圖 10 三種試件在不同峰值電流下的雷擊損傷面積Fig. 10 Lightning damage areas of three kinds of test piece under different peak currents

4 結論

（1）在CFRP樹脂基體中加入以銀粉為主的導電填料能夠使其導電性能得到大幅提升；隨著銀粉含量的增加，改性CFRP雷擊防護性能增強，但當銀粉含量超過一定閾值時，其改性效果增幅逐漸變小。CFRP基體中最佳銀粉含量為38%，沿厚度方向電導率的改性效果最佳，提高了217.3倍。

（2）相同類型層壓板試件，隨著峰值電流增大，損傷程度增大，雷擊損傷形式特征變化。銅網被擊穿之后，內部鋪層出現損傷，形式與未改性的損傷特征相同；而基體改性可以阻礙表面鋪層被擊穿，降低纖維斷裂翹曲以及分層損傷。

（3）峰值電流20 kA、40 kA和60 kA下，銅網防護方式使碳纖維復合材料雷擊透視損傷面積分別下降100%、86.61%和37.46%。，基體改性整體防護方式能使其分別下降84.02%、81.03%和40.91%。低電流下基體改性防護效果不如銅網，但高電流下基體改性防護效果更好。銅網防護為一次性防護，基體改性為整體防護形式，每一鋪層均具有雷擊防護能力，表層遭受破壞后，里層的防護依舊有效，并且基體改性的雷擊防護效果與雷電流能量有關，超過一定能量范圍，防護效果下降。