雷电流冲击效应

雷击对复合材料结构所造成的雷电直接效应，是一个复杂的物理化学变化过程，雷电流产生的热-电-磁-力等耦合效应，包括着：雷电通道瞬间热膨胀带来的过压效应，雷电流焦耳热效应以及由此引起的复合材料气化反冲效应，雷电流通道传导至复合材料的巨大能量引起的复合材料表面和次表面的热膨胀、相变效应，高温热分解等物理化学变化，复合材料燃烧和热解使碳纤维升华，热解气体压力使复合材料分层等。

实验室对2mm厚的碳纤维复合材料裸板和2mm厚的防雷金属网碳纤维复合材料板的雷击防护效果进行了试验对比，向两者同时施加200kA+200C电流试验后，碳纤维复合材料裸板发生严重分层并几乎穿透，而金属网碳纤维板只是在雷电附着位置的金属网被烧损，被金属网保护的碳纤维板基体只发生了轻微的起毛现象，损伤很小，说明金属网能对飞机的碳纤维复合材料提供很好的雷电防护效果，而材料的电导率会影响电弧根部的形状，从而影响雷电流冲击扩散的方向和对结构的损伤程度。

雷电流冲击导致防雷金属网温度迅速升高到燃烧阶段，由于表面涂层的存在，电弧将收缩聚集，雷电流持续注入防雷金属网，导致复合材料表面会因电流产生的焦耳效应而爆炸，最后由于气体膨胀，使得涂层爆裂，进一步增强了表面产生的超压，撕扯并破坏复合材料基体。

雷击效应的复杂性，使得损伤不仅取决于结构自身，还取决于防雷金属网和油漆厚度。虽然防雷金属网和油漆厚度并没有提高复合材料结构的载荷能力，但这两个因素在雷击引发复合材料表面爆炸的过程中，两者充当的是一定的负载，在损伤过程中起到了巨大作用。因此，研究防雷金属网类型和油漆厚度对电流损伤的影响是很有意义的。

对于处于不同的雷电分区复合材料飞机结构，可以选择不同密度的金属网进行防护，以应对不同等级的雷电流冲击。对于金属网碳纤维结构表面，通常会喷涂一定厚度的漆层，由于漆层的喷涂厚度很难精确控制，且大多漆层为非导电漆或绝缘漆层。使用一定厚度的非导电漆层，则可能会导致雷击能量造成的伤害变大，因为涂层在雷击过程中起到了有两个作用：限制电弧根部膨胀和限制爆炸气体喷发形成气阻效应。对无漆层和有漆层的金属网碳纤维板雷击损伤试验对比发现，漆层厚度会增大结构的损伤范围；漆层厚度越厚，则电弧通道击穿漆层所需的击穿电压越高，击穿时间越长，击穿过程所释放的能量越大。同时漆层厚度越厚，则介电常数越大，使能量的扩散速度减小，从而使电弧附着点附近产生的热量更多，导致结构材料及防护层的损伤更严重。