摘要：目前航空航天飞行器使用较多的碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）结构在遭遇雷击等强电磁环境时，往往表现出更严重的损伤和破坏。总结了研究人员针对探索CFRP雷击损伤特性开展的大量理论分析、试验研究及数值计算，揭示了雷电流作用下CFRP直接损伤的形成机制，并从不同角度探讨了影响CFRP直接雷击损伤的因素；此外，对雷电冲击后的复合材料剩余强度问题进行了分析。未来继续开展CFRP直接雷击损伤研究工作时，仍需进一步考虑实际雷电环境下电流的综合影响。

关键词：复合材料；雷电环境；损伤机制；影响因素；剩余强度

       碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）作为新一代航空航天材料，因具有轻质高强、优异的可设计性等优点使其从航空航天的次承力部件逐步发展为主承力结构。其应用范围和水平已经成为各飞行器研制成功的关键，军机方面，F22“猛禽”战斗机CFRP复合材料占到飞机总重量的25%，F-35达到31%，EF2000“台风”战机更是达到40%，下一代大型军用运输机ACCA将达到65%；民机方面，欧洲空客A380复合材料使用率达25%，美国波音787“梦想”客机甚至达到50%。然而，相对于金属材料，CFRP的整体导电性降低了几个数量级，使其在雷电环境下的损伤程度加剧。

       报告显示，平均每架飞机在其2000-5000小时的寿命期间至少会遭遇一次雷击，在雷电活动频繁区遭遇雷击的概率更高。我国陆地年平均雷电密度为4.22，广州、广东茂名附近及海南岛中部地区是雷电活动最频繁的三个地区，雷电密度均超过20，最强处甚至达到了30。中国近海的雷电密度平均值远大于同纬度的全球海洋平均值，是全球海洋的一个雷电密度相对高值区。雷电击中飞机时会在极短的时间内释放巨大能量，而碳纤维增强复合材料因其低导电性和各向异性无法形成良好的通路将电流传导出去，巨大的雷电流会造成结构性的物理损伤，严重降低飞行器的任务完成度和可靠性。因此，研究雷电流作用下飞行器CFRP结构的损伤特性对飞行器的设计改进具有重要意义。

1 雷电及相关试验波形

       通常情况下，雷电是由高电荷风暴云的空气高压击穿引起的。飞行器遭遇雷击的情况主要分为两种：暴露在自然发生的雷电环境中的雷击和自身引发的雷击。当飞行器恰巧接近起源于带电云的雷电先导时，便会遭受雷击；此外，如果飞行器经过一个和带电的云区域相关的电场并且电场沿其尖端部位的场强密度足够发起和推进双向先导时，便会触发雷击。闪电在云云、云地之间均会发生。以往云层间的闪电是航空航天行业的关注重点，随着研究推进，研究人员发现由于飞行器在起飞着陆期间的高敏感性，以及低海拔处的高电场强度，云地间的闪电逐渐成为研究重点。由美国自动机工程师协会（SAE）出版的飞机雷电环境和相关试验波形SAE ARP5412标准定义了四种代表理想环境的电流波形，如图1所示，这四种电流波形可用于实验室测试和分析雷电造成的直接影响。

       雷电流测试波形分为A、B、C和D四种分量，第一个为具有最高峰值的分量A，它用于模拟雷电过程中第一次回击。回击是闪电电流由带负电荷的阶梯形引线快速放电到带正电荷的地面。分量A之后是一个中等强度的电流B，分量A与B均是雷电首次回击的一部分。分量C是一种连续电流，它与飞行器表面的电流“悬挂现象”有关，该电流波形的特点便是持续时间长、产生大量焦耳热，造成材料的熔化和击穿。分量D代表后续反击电流，一般用于测试机身遭遇雷击后典型重打击产生的影响。

图1 标准模拟电流波形

2 雷击对CFRP复合材料的直接影响

       飞行器遭遇雷电与其飞行参数、飞行区域以及气候情况均有关。雷击期间，高强度的电流在极短时间内传输至复合材料蒙皮，导致结构性损伤，如烧蚀、断裂、结构变形和强度退化。Hirano等通过人工模拟雷击实验，得出了复合材料在雷电环境下的损伤模式主要分为：树脂劣化、纤维损伤和分层。雷电通道与复合材料之间复杂的物理作用过程是造成这些损伤模式的直接原因。

       Ogasawara等通过建立复合材料雷击损伤的电热耦合模型，探究雷击对复合材料的损伤机制，发现电导率随温度的变化情况是建立模型的关键，同时分析仿真结果，认为焦耳热对损伤有显著影响。当脉冲电流附着在复合材料时，通道内电荷与材料表面感应电荷急剧中和，温度瞬间升高且产生大量热量，造成树脂烧蚀汽化、纤维断裂升华。同时，不同的雷电流分量导致热损伤的机理是不同的。Dong等研究了碳纤维增强复合材料在复合雷电流分量D和C下的损伤情况，建立的随时间变化的雷电弧感应电流密度和热流密度模型可以准确有效地说明复合材料损伤特性，结果表明，因为受复合材料各向异性影响，分量D单独作用时造成的烧蚀损伤与各层纤维方向密切相关，而注入分量C后的损伤状态大致呈圆形，与各层叠加方向无关，如图2所示。因此，分量D期间的加热机理主要是电阻热，而电弧热在分量C期间造成的热损伤中起主导作用。 

图2 不同时间组合分量D和C下复合材料层合板的温度等值线

       闪电附着区周围雷击期间存在较大的温度梯度，而复合材料的热膨胀系数具有各向异性，因此会有热应力的产生。Dong等基于连续损伤力学建立了热力耦合损伤数值模型，与热烧蚀损伤相比，热-机械耦合模型的模拟结果更加接近于实验，基体和纤维在高温下烧蚀，伴随热量产生的热分解过程会降低复合材料层合板的层间强度，而由于高强度和高模量的碳纤维层的阻碍，由温差产生的热应力难以使裂纹在不同层间扩展造成深度方向的损伤，因此热应力最终导致材料分层，增加面内损伤。Kamiyama等利用内聚单元模型模拟复合材料的分层损伤行为也证实了这一点，另外，该模型中考虑了雷击后的冷却过程，这对阐明雷击损伤的机理非常重要。

       除了热烧蚀和热应力外，由基体材料升华产生的热气体在密闭空间内发生爆炸冲击、雷电通道超音速膨胀产生的冲击波以及高强度电流引起的磁力等机械载荷均会造成复合材料层压板的分层、穿孔和纤维断裂。

       雷电流温度在很短时间内可以上升到一个很高的值，从而导致热等离子体的压力升高，这个超高压便引起通道的膨胀，对复合材料层合板产生冲击。目前很少有实验直接测量雷电引起的冲击波，研究人员多从仿真的角度分析其造成的损伤机制。20世纪90年代，Fabbro等便提出了一种一维表面等离子体膨胀模型，可用于估算高能电流产生的冲击波。Fu等在此基础上建立了包含等离子体通道膨胀诱导压力的力学有限元模型，用来预测复合材料层合板的动态响应和机械损伤。层合板在雷电通道冲击载荷作用下，基体和纤维呈现不同程度的拉伸与压缩损伤，压缩状态下的损伤变量低于拉伸状态，因此，各层内的损伤主要由压力脉冲下板弯曲引起的张力造成的。另外，峰值电流的到达时间、层合板尺寸与层合板的挠度变化及损伤程度均具有相关性。

       雷击期间的另一重要机械载荷是强电磁环境下的磁力，它会使不同层或纤维间产生电弧，从而导致结构受损。然而由于雷电冲击载荷测量的高难度，因此通过实验确定雷击期间磁力大小的研究很少。Haigh等在雷击测试系统中加入了弹簧装置，根据弹簧形变量判定了雷击过程中机械载荷的存在。研究者多根据以往的数值和实验结果，分析计算通道膨胀冲击载荷和电磁力的经验公式。Fu等通过分析电流分布及感应磁场，推导有限元分析的数据，估算了闪电期间的机械负载。尹俊杰等基于三维Hashin和Yeh分层失效准则建立了复合材料三维渐进损伤分析模型，从能量的角度分析了雷电通道力效应（冲击压力和电磁力）作用下复合材料层合板的动力学响应和损伤。复合材料层合板在雷击作用下做减幅振荡振动，当边界条件相同时，冲击力总功最大值决定了不同损伤。该研究对于复合材料层合板的雷击力学损伤方面提出了新的方法并得到新的结论和认知，但未考虑温度和树脂热解对材料属性及力学响应的影响，使其结果的可靠性略显不足。

3 影响复合材料直接雷击损伤的因素

3.1 雷电流参数对损伤的影响

       飞行器遭遇的雷击电流分为四种类型，每种电流分量的峰值、作用时间等特征参数不同，因此为了预测复合材料雷击损伤情况，研究人员针对雷电流参数对损伤的影响做了大量工作。根据他们的研究结果，电流峰值、作用积分、电荷量、比能均是影响复合材料雷击损伤的重要因素。作用积分表示系统吸收或储蓄能量的多少，它主要影响深度方向的损伤。电荷量与雷电流的烧蚀机理相关，因此它的大小决定了复合材料烧蚀损伤的程度。而电流峰值对损伤的影响还要取决于上升时间，峰值电流越大,上升时间越短，雷电流的冲击作用越强，复合材料损伤加重。张彬等利用回归分析的统计手段，分别拟合了纤维、树脂以及分层损伤面积与电流比能的关系曲线，分析发现，比能和纤维、分层损伤之间存在线性关系，与树脂损伤面积存在对数关系。

       由于实验条件的限制，目前针对复合材料的雷击实验多为单脉冲电流冲击，但飞行器在飞行过程中往往遭遇多重雷击，各雷击分区的电流波形在一次放电过程中对复合材料结构进行打击，因此单脉冲雷击实验难以反映雷电流的综合效应。Sun等采用高电压大电流多重连续直接雷击测试系统分别对单脉冲以及多重连续电流下的复合材料雷击损伤进行研究，发现前序电流分量的注入会影响后序电流分量的作用效果，且单分量效应与该分量处于多重连续组合中时造成的损伤效果差异较大，但是损伤模式仍是以纤维断裂、基体烧蚀、分层损伤为主。因此，为了更全面、深入理解复合材料雷击损伤特性，探索不同组合及时序的多重雷电流的作用效果十分必要。

3.2 复合材料性能对损伤的影响

       复合材料的雷击损伤不仅与冲击电流特性相关，材料本身的性能也极其关键。研究复合材料各性能参数对其雷击损伤的影响，对飞行器的防雷设计具有重要意义。复合材料电导率相比于金属结构低了几个数量级，正是这个原因造成了复合材料在雷电流作用下严重的烧蚀损伤，因此，肖尧等、付尚琛等以及单泽众等探究了复合材料电导率、比热、热导率以及密度对烧蚀损伤的影响，随着密度与比热的增大，复合材料吸热、散热能力越强，损伤面积减小；电导率越高，复合材料可以形成良好的通路将电流及时传导出去，降低损伤程度；相比之下，热导率对于复合材料的损伤影响较小。另外，针对复合材料层合板的铺层厚度、铺层方向、长宽比等对其雷击损伤的影响也有不少研究工作，然而，在考虑这些因素对雷击损伤的影响效果时必须顾及层合板强度问题。综上，电导率是影响复合材料雷击损伤的最关键因素，因此，在进行雷击防护设计时，应着眼于如何提高复合材料结构的电导率。

3.3 紧固件对复合材料雷击损伤的影响

       随着制造装配工艺的发展，现代飞行器蒙皮大多采用整体壁板结构，金属紧固件的使用量降低，正是如此，结构间的每一连接部位都显得十分关键，针对含紧固件复合材料雷击损伤展开相关研究工作，对于提高飞行器整体抗雷性能更具工程实践意义。目前，已有部分学者研究了含紧固件复合材料层合板的雷击损伤特性。尹俊杰等通过模拟雷击实验探究了紧固件的存在对复合材料的损伤影响，并利用微米X射线对雷击后的试件进行三维成像，如图3所示。观察发现含紧固件的复合材料层合板雷击后虽然表面无明显损伤，但其内部沿整个厚度方向出现明显分层损伤。由于金属紧固件的电导率远高于复合材料，雷电流击中层合板时首先沿紧固件，在层合板的厚度方向进行传导，但紧固件并没有接地，电流只能分散在层合板各层，因此复合材料层合板各层均受到雷电流的作用。与不含紧固件复合材料层合板类似，研究人员同时也分析了雷电流峰值、层合板尺寸以及紧固件尺寸等对雷击损伤的影响情况。当雷电流峰值较小时，含紧固件的复合材料层合板损伤程度低于不含紧固件的试验件，而电流峰值增大到一定程度时，含紧固件的试验件雷击损伤程度剧增，超过不含紧固件的试验件；紧固件尺寸对复合材料的雷击损伤也具有较大影响，随着紧固件半径的减小，试验件的烧蚀损伤及分层损伤加剧。

图3 含紧固件复合材料层压板雷击试验后微米X射线三维成像

4 含雷击损伤复合材料层合板的剩余强度研究

       自复合材料使用以来，针对其含损伤力学性能方面的研究工作就一直未间断，但研究人员多把目光集中在含冲击损伤或开孔、制造缺陷等方面，对于含雷击损伤的复合材料强度研究较少。但是在飞行过程中，遭受雷击的复合材料结构必须能够保证飞行器的任务完成度和安全性，因此研究含雷击损伤飞行器复合材料结构力学性能问题至关重要。Feraboli P.等对雷击后的复合材料试件进行了拉伸和压缩试验，根据结果，含雷击损伤的复合材料拉伸强度没有显著变化，而压缩强度明显较弱。将复合材料的雷击试验件与低速冲击试验件进行对比，结果表明，低速冲击造成的损伤大于雷击损伤。但是，由于烧蚀损伤是复合材料遭受雷击时最重要的损伤形式之一，所以不能以冲击力学的理论来解释雷击后材料的强度问题。

       研究复合材料雷击后剩余强度问题的关键在于如何表征其损伤，复合材料层合板结构出现损伤时仍能继续承载，直至整个板失效。因此，渐进损伤理论多被用来分析复合材料层合板失效问题。Wang等对含雷击损伤的复合材料层合板进行了轴向压缩试验与数值分析，经不同峰值电流冲击后的复合材料试验件压缩破坏模式均为纤维断裂、基体裂化及分层，如图4所示。同时，基于渐进损伤理论，分别采用三维Hashin准则、最大应力准则、以及TSERPES失效准则来模拟复合材料层合板的压缩破坏过程，发现基于Hashin失效准则计算的结果与试验吻合较好，固定端的两个边角以及雷击烧蚀区出现应力集中现象，固定端两个边角的应力集中是导致纤维和基体劣化的主要原因，而分层主要是由雷击烧蚀区的应力集中造成的，但是，该数值分析的初始模型为复合材料雷击烧蚀模型，仅引入了雷击后瞬态温度场，没有考虑雷击造成的力学损伤对剩余强度的影响。

图4 压缩破坏后的试验样品

       尹俊杰等同样基于渐进损伤理论，将唯象分析法与连续介质损伤力学法相结合，利用ABAQUS软件和UMAT子程序，以复合材料雷击损伤的热-力耦合模型计算结果作为初始状态，同时考虑了热损伤和力学损伤，失效判据以Yeh分层失效准则和Hashin失效准则共同决定，预测含雷击损伤的复合材料剩余强度。结果表明，雷击损伤中的热损伤和力学损伤均会影响复合材料的拉伸剩余强度，相较之下，热损伤起主导作用。

       目前针对含雷击损伤的复合材料力学性能开展地工作多为定性研究，缺乏雷电波形、损伤程度以及剩余强度之间的定量分析。

5 结语

       1）复合材料在雷电流作用下的损伤模式主要分为基体劣化、纤维断裂及分层三种，造成这些损伤模式的机理包括热载荷和机械载荷，其中热载荷中的烧蚀效应、热应力导致了基体、纤维的碳化、升华，而雷电流冲击波、电磁力等机械载荷主导了分层损伤。

       2）雷击对复合材料的损伤与雷电流自身参数和材料性能参数均密切相关，电流的作用积分、电荷量以及峰值分别影响着不同的损伤模式；在复合材料各参数中，电导率对其雷击损伤起着决定性作用，因此进行复合材料结构防雷设计时，往往以提高电导率为目标。

       3）金属紧固件的存在会影响复合材料雷击损伤特性，由于紧固件的“电流分散效应”，含紧固件的复合材料层合板雷击损伤贯穿整个厚度方向，且以分层损伤为主。

       4）研究雷电作用后复合材料的剩余强度问题的难点在于雷击损伤的表征，需要同时考虑热损伤和力学损伤，目前多采用连续损伤力学的理论对其进行定性分析，但缺乏定量研究工作。

       目前，针对复合材料雷击损伤开展的试验及数值分析工作几乎全部采用单脉冲电流冲击，选用的电流特征参数也并非严格符合试验标准，然而实际雷电环境下，一次放电过程往往包含多重、不同电流分量组合。因此，目前的雷击试验工作难以真实反映雷电综合效应，对于碳纤维增强复合材料结构的雷击损伤问题仍需研究者们持续探索。

       作者：朱雪蒙