文|星蓝历史
编辑|星岚诗说
结构和设计工程师都很清楚，碳纤维复合材料根本不是“黑色金属”，如果在结构上将复合材料像金属一样处理，将造成灾难性的后果。
然而复合材料与金属材料的电性能差异往往不是那么明显，人们总是想当然地认为碳纤维复合材料能够像金属材料一样自动满足结构的电性能要求。
但事实并非如此，这并不是因为碳纤维复合材料难以处理电气性能，而仅仅是因为它们需要不同的方法。
复合材料结构电性能要求
基本结构部件是否具有电气特性并不总是很明显，因为金属结构由于易于电气连接而通常无需采取任何特殊预防措施即可满足电气特性要求。
类似的处理方法不适用于复合材料，必须积极考虑对结构的电气要求。这些要求包括防雷击，因为每次雷击都会将高脉冲电流引入结构；任何暴露的复合材料结构，从船舶桅杆或天线装置到飞机的翼尖，都是危险的。
其他电气特性要求安全去除由于空气或液体流过复合材料表面而导致罐体或管道内产生的静电，并采取电磁屏蔽措施。
这不仅适用于复杂的复合材料军用飞机，也适用于装在复合材料或塑料盒中的耗电设备。碳纤维复合材料的导电性由绝缘树脂基质和石墨化细碳纤维组成的复合材料的导电性是各向异性的。
沿纤维方向的导电比垂直于纤维方向的导电要容易得多，后者只有当相邻纤维偶然接触时才会发生。
在纤维含量为0.60～0.65的结构单向复合材料中，垂直于纤维方向的电阻率比平行于纤维方向的电阻率高400倍。
在多向铺设的复合材料中，相邻层之间的泄漏往往会降低这种电阻率的差异，直到四个方向上的准各向同性层可以被认为是复合材料平面内宏观电各向同性的。
由于相邻层之间存在残留树脂，因此厚度方向的电阻率始终高于复合材料平面内的电阻率。在填充短纤维的复合材料中，纤维接触的数量（因此电阻率）取决于碳含量和纤维的长度。
虽然碳纤维的电阻率比铝高三个数量级，但通过适当的设计方法仍然可以满足结构的电性能要求。
然而，如果复合结构之间的接头存在电阻，这些电气性能要求将无法满足，并且部件的结构安全性将受到损害。
雷电会导致电阻接头过热并爆炸。如果燃料-空气界面处存在静电，则会通过低电阻接头产生电弧并引发爆炸，还会在其他地方引起电噪声。
如果屏蔽板之间相互绝缘，则可能产生屏蔽不良现象，危及军用飞机的飞行任务和安全，还可能损害战场军事通信系统或附近电视的安全!因此，制造具有良好电气特性的连接器至关重要。
机械固定关节
由于碳纤维复合材料中的所有传导都发生在纤维内，因此，为了使接头具有导电性，流过接头一半纤维的电流必须能够传导接头另一半纤维。
通过使用电位映射来监测复合材料各层的电位，可以找到电流通过接头的路径，从而确定影响电流顺利通过的障碍物的位置。
使用这种方法发现，几乎没有电流通过界面直接从一块板流向另一块板。这是因为表面层中多余的树脂在固化过程中被挤出复合材料，并分成两组导体。
因此，所有电流都必须流经紧固件柄才能通过接头。金属紧固件的体积电阻非常低（少数例外），可以忽略不计。
决定接头总电阻的因素是电流通过复合材料-金属界面和金属-复合材料界面的难易程度。因此，特别复杂的紧固件，其接头导电性与相同尺寸的螺栓或铆钉相同。
图1显示了螺栓拧紧扭矩对某些钛螺栓接头电流传导的影响。电流传导是衡量电流是否能容易地流过接头的指标钢结构通讯设计，良导体具有较大的电流传导。
结果以每米接头长度的西门子表示，仅给出接头的电流传导，忽略材料各侧的影响。结果取自间距为 28 毫米的单排紧固件连接的面板的测量数据。
如果需要，可以推断出不同间距的紧固件连接的接头的电流传导。所有接头（除了那些钻孔不良、传导较差或不稳定的接头）都能快速达到稳定的电流传导值。
在孔洞正确无误的前提下，达到该稳定值所需的螺栓紧固扭矩远小于实际使用的紧固扭矩，因此，按结构技术要求紧固的螺栓，将达到电气稳定值。
意想不到的结果是，用六角螺栓代替沉头螺栓获得了更好的导电性，并且预计安装在大面积机加工碳纤维复合材料上的沉头螺栓的导电性将优于安装在有残留树脂的表面层上的六角螺栓。
电位图显示，电流通过埋头螺栓底部周围的小环进入埋头螺栓，而不是通过整个表面。六角头螺栓头下的紧固压力似乎足以破坏表面剩余的树脂层，使电流能够轻松流过更大的区域。
因此，六角螺栓接头的电流传导性优于沉头螺栓接头。类似的作用原理也适用于接头另一侧的螺母下方。
螺栓头下方产生的压力会损坏剩余的树脂层，并因电流通过而导致局部发热，从而去除相当一部分表面层以促进传导。据信这种损坏不会延伸到光纤本身。
因此，如果复合材料表面有保护玻璃层，不合理的压力会损坏玻璃层，而导电性必须依赖于螺栓孔壁中的杂散纤维与螺栓体的意外接触。
如果较大的约束压力作用于紧固件，则可能发生复合材料失效。虽然这在结构上是不希望的，但这意味着紧固件与碳纤维紧密接触，可以产生良好的电气性能。
举一个具体的例子，虽然钛铆钉的接触面积比螺栓小得多，但如果间距相同，接头电流传导约为每米180西门子，钛铆钉接头可以传导电流。
这种改善很可能是由于铆钉尾部与周围受损碳纤维之间的接触更好。事实上，使用垫圈会限制铆钉尾部造成的损坏，这可能会导致更少的电流传导。
如果说复合材料与金属的界面是决定接头总电流传导的主导因素，那么对界面影响最大的因素就是金属表面氧化膜的状况。
去除钛螺栓上的氧化层可使接头电流传导率从每米 15 西门子提高到每米 120 西门子。其他一些相同的接头由不同的金属制成。
如上所述，这些铆钉可能会对飞机造成过多的结构损坏，从而导致飞机无法使用，但它们证明了材料对其他方面相同的紧固件所产生的影响。
铝铆钉的性能尤其不佳，因为坚硬的氧化膜会阻碍碳和铝之间的良好接触，从而给金属紧固件带来困难。
可拆卸紧固件的横截面图，其中一个部件是轻合金螺母壳体。由于紧固件的结构，这个壳体是电流通过接头的主要通道，当测量接头的电流传导时，
发现差异很大，从每米 90 西门子到每米 210 西门子不等。仔细检查发现，问题出在轻合金螺母外壳和钢螺母镀层之间的金属对金属界面上，螺母外壳的阳极氧化层阻碍了电流通过。
这是一个严重的问题，因为良好的导电性完全局限于氧化膜受损的部分。如果发生雷击，大电流将试图通过这个接头。所有电流都将流向这些导电性良好的点，从而导致发热问题。
有多种方法可以改善机械紧固接头的电气性能，同时尽量减少对结构强度的影响。如果六角头螺栓和螺母安装在覆盖有玻璃布或其他非导电材料的表面上，它们将无法为接头连接提供良好的导电性。
如果结构表面必须使用玻璃布，则设计应允许拆除紧固件周围的玻璃布。安装紧固件后，如有必要，可重新密封这些表面。
提高接头电流传导能力的另一种方法是增加接触面积。这可以通过使用更大直径的紧固件或具有更大头尾的连接器来实现，但这种方法会增加额外的重量和成本。
目前使用的紧固件的接触面积可以通过使用更严格的钻孔公差来改善。这可以将接头的导电性提高高达约 400 西门子/米。然而，以如此精确的公差钻孔的生产成本非常高。
显然，以如此紧密的公差钻出的孔的表面非常脆弱，即使在最终组装之前对螺栓进行尺寸试装也足以损坏表面。
因此，与未损坏的孔相比，此类螺栓的电气性能会下降至其值的 1/5 或 1/10。中等尺寸的压配孔具有不太精细的表面和良好的电气性能，但它们的应用受到复合材料中产生的环向应力的限制。
改善接头电气特性（以及修复上述受损状态的接头）的更有效方法是在任何紧固件孔的内表面上镀一层导电涂层。
这样，紧固件孔周围的所有碳纤维都相互连接，因此接触一点就相当于接触全部。虽然金属涂层的导电性最强，但可以使用任何导电涂层。
对于小于 5 毫米的螺栓孔，镀铜可使沉头螺栓的电流传导率从每米 60 西门子提高到每米 5000 西门子以上。其他金属镀层方法也已取得成功，包括热喷涂和化学镀。
或者，更有利于生产的方法是利用悬浮在载体中的导电粒子。
虽然此方法效果不是很好钢结构通讯设计，但接缝传导率可达 200 至 400 西门子/米，此涂敷方法可在现场使用，非专业人员可手工涂抹或喷涂，必要时也可实现自动化。
胶合接头
由于没有合适的金属紧固件作为电流通过接头的捷径，粘合接头的电气特性通常比机械紧固件接头差得多。
主要例外是共固化接头，其电气性能并不重要。此类接头的导电性本质上是块体材料的导电性，其电气性能取决于结构的几何形状。
一般情况下，其他胶接接头的电气性能取决于胶粘剂的性质。冷固化树脂一般为绝缘材料，体积电导率约为10-13西门子/米。
用这种胶水粘合的接缝是电开路的，电流无法通过这些接缝。然而，一些热固化胶水本身含有金属颗粒，以增加其热强度。
结论
遗憾的是，改善胶粘剂接头的电气性能并非易事。增加胶粘剂中的金属含量可以提高接头的导电性，但即使使用含 70% 银粉的胶粘剂，也只能达到每米 125 西门子的导电性。
遗憾的是，如此高的金属含量会降低粘合性能，因此不适合用于粘合结构。
提高胶接接头导电性而不牺牲接头强度的一种方法是使用胶膜填料。它由用于控制胶缝厚度的尼龙网组成，可以从胶膜上取下并用相同厚度的金属网代替。
虽然该方法仍在研究之中，但目前已获得高达每秒20西门子的电导率。
参考
1. 韩洪波, 王利勇. 树脂基碳纤维复合材料栅格天线反射器制造技术[J]. 电子机械工程, 2007, 23(5): 41-43.
2. 杜彪, 吴洋, 张一帆, 等. 大口径反射面天线技术综述[J]. 无线电通信技术, 2016, 42(1): 1-8.
3. 方芳. 先进复合材料在雷达上的应用[J]. 电子机械工程, 2013, 29(1): 31-35.
